本算例演示分别利用稳态mixing plane法及瞬态pitch-scale方法模拟计算压缩机的工作性能。

本算例演示以下操作：

• 建立混合平面和pitch scale turbo interface模型模拟压缩机中的流动
• 描述壁面运动和其他边界条件
• 指定适当的求解器设置
• 添加及监控表达式
• 计算表达式并显示云图

1 问题描述

本算例模拟压缩机的内部流场。该压缩机由进口导叶、转子和定子组成。该几何模型为4.5级轴向汉诺威压缩机的前三排(由汉诺威技术开发公司提供)。进口导叶包含26个叶片，转子包含23个叶片，其转速为17100转/分，定子中包含30个通道。入口总压为60000 Pa，出口总压为60500 Pa。算例将利用稳态混合平面和瞬态转子/定子pitch-scale方法计算压缩机的效率。

压缩机叶片几何模型如下图所示。

2 Fluent设置

• 以3D、Double Precision模式启动Fluent 2021R2
• 利用菜单File → Read → Mesh… 读取计算网格hannover_1.5Stage.msh

计算网格如图所示。

2.1 General设置

• General面板保持默认设置

2.2 Models设置

• 启用能量方程

• 采用SST k-omega湍流模型

2.3 Materials设置

• 设置Air的材料属性
• 修改Density为ideal-gas，其他参数保持默认设置

2.4 计算区域设置

• 设置计算区域b-rotor1
• 选择Frame Motion
• 确认Rotation-Axis正确设置为z轴方向
• 设置Rotational Velocity > Speed为17100 rpm
• 其他参数保持默认设置

2.5 操作条件设置

• 打开Operating Conditions设置对话框
• 指定Operating Pressure为0 Pa

注：当流体介质密度设置为ideal-gas时，常将参考压力设置为0，这样计算区域内的压力为绝对压力。

”

2.6 边界条件设置

• 设置边界inlet
• 指定Gauge Total Pressure为60000 Pa
• 指定Supersonic/Initial Gauge Pressure为58000 Pa
• 进入Thermal 标签页，指定Temperature为288.15 K
• 其它参数采用默认设置

• 设置边界outlet
• 指定Gauge Pressure为60500 Pa
• 激活选项Radial Equilibrium Pressure Distribution 及Average Pressure Specification
• 设置 Backflow Direction Specificaiton Method为From Neighbouring Cell
• 进入Thermal 标签页，指定Temperature为300 K
• 其它参数采用默认设置

• 默认情况下，当某个流体区域旋转时，附着到该流体区域上的所有壁面都将为旋转壁面。由于转子存在一个叶尖间隙，以及护罩在绝对参考系中是静止的，因此需要修改rotor1-shroud 面边界条件。设置转子的壁边界条件
• 选择壁面运动形式为Moving Wall
• 激活选项Absolute 及Rotational
• 指定旋转原点与旋转轴的方向

• 设置进口导叶、转子和定子的旋转周期边界条件。同时选中边界periodic_igv-per-per-side2 与Symmetry-15 ，点击鼠标右键，选择弹出菜单项Periodic…

• 弹出的对话框中进行如下设置
• 设置Zone Name 为periodic-igv
• 设置Type 为Conformal
• 设置周期类型为Rotational
• 指定旋转轴原点**（0 0 0），指定旋转轴向量为（0 0 1）**
• 点击按钮Create 创建周期边界

• 相同方式将边界periodic_rotor1-per-sdie2_rotor1-per-side-1 及symmetry-18创建为周期边界，命名为**periodic_rotor **
• 相同方式创建边界periodic_stator1-per-side-1_stator1-per-side2 及symmetry-27的周期边界，命名为periodic_stator

2.7 创建混合平面

• 激活标签页Turbo Model 下的Enable项

• 点击按钮**Domain  → Turbo Model  → Turbo Create...**弹出设置对话框
• 设置Mesh Interface 为**rotor1-tipgap-int **
• 选择边界tip-r1-side1 与tip-r1-side2
• 点击按钮Create/Edit

• 类似方式创建交界面mpm1 ，如下图所示
• 指定交界面区域分布为igv-r1-upstream与igv-r1-downstream
• 激活选项General Turbo Interface
• 激活选项Mixing Plane

• 如下图所示，采用相同方式创建混合平面mpm2

2.8 指定拓扑结构

• 选择按钮Domain → Turbo Model  → Turbo Topology... 打开设置对话框
• 如下图所示选择Hub 边界

• 如下图所示选择Casing 边界

• 如下图所示选择Theta Periodic 边界

• 如下图所示选择Inlet 边界

• 如下图所示选择Outlet 边界

• 如下图所示选择Blade 边界

2.9 指定求解方法

• 采用默认计算方法

2.10 设置计算监测

• 监测入口总压，命名为ave_po_in

• 监测出口总压，命名为ave_po_out

• 监测入口总温ave_to_in

• 监测出口总温ave_to_out

• 监测出口流量mfr_1psg_out

• 新建一个监测表达式

• 如下图所示定义监测物理量p-ratio

• 定义监测表达式mfr_out_360

• 定义监测物理量iso_efficency，定义为( ({ave_to_in}* ( {p-ratio}**(0.4/1.4) - 1))/({ave_to_out}-{ave_to_in}) ) * 100.00

2.11 收敛残差设置

• 如下图所示设置残差

2.12 进行初始化

• 进行Hybrid初始化

2.13 求解计算

• 如下图所示设置求解参数

• 计算监测得到的压比

• 计算监测得到的出口流量

• 计算监测得到的效率

2.14 计算结果

• 创建等值面

• 选择区域a-igv创建中间面igv-span=0.5，如下图所示

• 选择区域b-rotor1创建中间面rotor-span=0.5，如下图所示

• 选择区域c-stator1创建中间面stator-span=0.5，如下图所示

• 查看中间面上的物理量分布

• 点击Draw Mesh 按钮，选择显示边界 igv-hub, igv-vane, rotor1-blade,rotor1-hub, stator1-hub 及stator1-vane
• 速度分布如下图所示

• 压力分布如下图所示

• 温度分布如下图所示

3 采用瞬态计算

MPM模型是不可以用于瞬态计算的，若想要将其用于瞬态计算，则需要对一些参数进行修改。

3.1 General设置

• 选择选项Transient

3.2 参考值设置

• 修改参考值

注：对于本算例来讲，改不改参考值似乎没什么影响。

”

3.3 区域设置

• 修改区域b-rotor1 旋转类型为Mesh Motion ，可以通过点击按钮Copy To Move Motion来修改

3.4 边界条件设置

• 打开边界outlet属性设置对话框，取消激活选项Average Pressure Specification

3.5 Interfaces设置

• 双击打开mpm1节点，如下图所示，设置Pitch-Change Types 为Pitch-Scale

• 相同方式设置mpm2的Pitch-Change Types 为Pitch-Scale

3.6 计算参数设置

• 如下图所示设置时间步长和时间步数

注：转子旋转速度17100 rpm，叶片数量23个，因此时间步长取1/(17100/60)/23=0.000152555 s。

”

3.7 计算结果

• 监测得到的压比随时间变化曲线

• 出口流量随时间的变化曲线

• 工作效率随时间的变化曲线

• 查看3个中间面上的速度分布

• 进入View对话框，点击Define… 按钮

• 如下图所示，选择a-igv，并选择igv-span=0.5，设置Number of Repeats 为2

• 相同的方式，如下图所示设置

• 按下图所示设置

• 速度分布如下图所示

• 相同方法查看压力分布如下图所示

• 温度分布如下图所示

注：本算例为Fluent随机算例。算例中的MP模型事实上是借于CFX中的同种模型。Fluent原生MP模型处理方式略有不同。不过从版本发展来看，传统的MP模型似乎日渐式微，存在感越来越低，看着似乎有被废弃的危险。

”

相关文件：

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