梁老师
STAR-CCM+仿真学堂
- 1
- 929
简介
985博士，擅长CFD计算分析，尤其非常精通STAR-CCM+，擅长气动、传热、燃烧、多相流、运动、固体应力等多学科耦合分析，以及在CFD结果上，通过网格变形直接对模型进行优化的伴随形状优化方法；在设计空间通过将固体网格和流体网格相互转换而自动构造最优几何的伴随拓扑优化方法；还精通多目标优化，在给定的参数和约束下，通过遗传算法，响应面方法等进行全局搜索和局部搜索，寻找最优目标。
擅长领域
微信公众号
STAR CCM仿真学堂
微信扫描二维码关注公众号
他的服务
查看全部
仿真分析；付费答疑；其他服务
22笔成交
¥500起
- 梁老师1年前发布了直播
- 梁老师1年前发布了课程
- 梁老师1年前发布了课程
- 梁老师1年前发布了课程
- 梁老师1年前发布了课程
- 梁老师1年前发布了帖子star-ccm 结构化网格与非结构化网格对计算结果的影响 计算流体力学，也就是CFD，其基本思想就是把原来在时间域及空间域上连续的物理量，用一系列有限个离散点上的变量值的**来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，通过求解这些方程组获得场变量的近似值。
在计算流体中，所有守恒方程都可根据通用传输方程编写。通过将通用传输方程对控制体积V进行积分并应用高斯的散度定理，可获得传输方程的积分形式。
网格的通量
对网格进行积分需要计算网格通量，对于表面积分，使用求积近似计算表面积分，积分用网格单元面上同一位置处的变量值表示。采用二阶中点规则，即按照网格单元面中心处的值与网格单元面网格面积的乘积计算积分。对于体积积分，通过计算网格单元中心处的源项的平均值与该网格单元体积的乘积得到近似体积积分。
网格类型主要分为结构化网格与非结构网格，在流动方向与网格排列方向平行的情况下，三角形和四面体网格从本质上比四边形和六面体产生更大的截断误差。在与流动方向垂直的方向上存在梯度时，比如边界层流动，面上流体守恒变量∅_f的值计算，采用二阶迎风格式如下：
∅_f=∅_0 δr〖(∇∅)〗_0
由于在垂直流动方向存在梯度，结构化网格（四边形网格）面上的中心与网格中心在同一流线上，面上∇∅就等于体中心的∇∅；而非结构网格，面中心和体中心不在同一流线上，在垂直流动方向上存在距离，因此其面上的∇∅不等于体中心的∇∅，因此就会产生误差。
在薄剪切层 (边界层，自由剪切层)，三角形和四面体网格比平行于流向的四边形或六面体网格产生更大的数值扩散.
但对于流动情况复杂以至于主流方向不明确时，结构化网格可能不如非结构网格 。
因此，结构化网格与非结构网格选择的依据是，在流动方向与网格排列方向一致时，选择结构化网格；在流动方向未知时，采用非结构化网格。
例如对于后台阶流动，台阶后流动方向杂乱，但边界层内流动方向是确定的，所以非结构化网格加边界层的组合的计算结果与实验是符合最好的。
- 梁老师1年前发布了课程
- 梁老师1年前发布了帖子利用STAR-CCM 对压气机叶型进行优化 压气机作为发动机的重要部件，对发动机性能有重要影响；在高推重比涡轮风扇发动机中，高负荷跨声速压气机内部的流动情况复杂多变，叶型损失和二次流损失大大增加了压气机的设计难度；研究压气机三维叶片和流道对激波和复杂二次流动的影响机理及提升相应的控制技术，使得压气机优化设计成为高性能压气机设计过程中至关重要的环节。
研究对象为跨声速压气机转子NASA Rotor 37转子， Rotor 37是NASA Glenn Research Center于 20 世纪 70 年代设计的四个高压压气机进口级之一，后来NASA采用激光测速仪和探针对孤立转子流场进行了详细的测量。
Rotor 37转子计算模型和网格，边界条件与文献相同，进口根据文献给定了径向分布的总温、总压，出口给定静压，叶片两侧给定周期性边界条件。对模型划分了网格，并进行了无关性验证，如图3，网格数量大于108万时满足无关性要求，通过划分网格和计算求解重复来调整Y Plus，满足无关性要求的Y Plus平均值约为0.74。
叶片流场的计算采用有限体积法求解粘性N-S方程的方法，采用二阶迎风格式对方程的对流项进行离散，采用中心差分格式对扩散项进行离散，离散方程的求解过程为连续方程和动量方程同时求解，湍流模型为SST模型，采用多重网格法加速收敛。
对Rotor 37转子进行了数值计算，计算的堵塞流量为 20.97kg/s，试验值为 20.93±0.14 kg/s，计算结果在试验误差范围内。图给出了转子特性曲线，可以看出数值计算得到的压比和效率曲线与试验结果的趋势基本一致。
在98%堵塞流量下，对比了效率、压比、温比和气流角的出口节距平均值的计算结果与试验结果的差别，可以看出计算结果与试验结果基本一致。
通过对比Rotor 37 转子的计算结果与试验结果，计算结果和试验结果符合较好，该计算方法可以用来进行压气机优化计算。
在经过数值方法验证的98%堵塞流量工况下，对Rotor 37转子叶片进行了优化。转子叶片优化先进行初始流场求解，获得流场之后确定优化目标函数，为获得寻优方向，需求解优化目标函数对叶片的微分，即敏感性，计算方法采用伴随法，根据获得的敏感性利用自定义函数通过控制点控制网格变形改变叶片型面，最后求解新叶型的流动控制方程，计算出优化后的流场，根据目标函数是否满足预期要求再决定是否继续优化，叶片优化流程如图。
叶片优化的目的是降低流动损失，例如激波损失、二次流损失等，因此将效率作为优化目标，为保证叶片维持设计的性能参数，需对压比和流量比进行约束，通过引入罚函数将压比和流量比约束引入到目标函数中，
在获得三维流场之后；求解伴随方程得到目标函数对型面的敏感性，如图，可以看出在叶片吸力面中部敏感性最大，提取10%、50%、90%三个截面敏感性矢量，如图，箭头方向代表使目标函数增大的叶片型面变形方向。
压气机叶片是基于有限体积法对流场进行求解，网格的离散使梯度变化通常是不连续的，如果直接对叶片网格节点进行调整会导致型面变形量过大，不光滑，因此需要设置控制点，通过移动控制点的方式，使相应的网格节点的空间坐标发生变化，从而实现网格的变形；图为设置在叶片外的控制点，控制点均匀排布，用以控制叶片网格变形。
根据敏感性计算控制点的位移量，控制点的移动量为控制点的累积位移量加上控制点上计算的网格敏感性得到的控制点所有方向上目标函数变化量的最大值乘以系数，系数的值根据经验取得，系数取得越小，所需的网格变形次数越多，系数取得越大，网格变形次数减少，但有可能变形过大，超过最优值。
叶片网格变形中需给定约束，一是叶片前缘和尾缘直径不能变，二是叶顶间隙不能变。为保证前后缘直径不变，在网格变形过程中，前后缘表面控制点的位移量通过自定义函数先进行周向平均然后赋给相应半径范围内的所有点，如图；为保证叶顶间隙不变，在变形过程中叶顶控制点的径向位移设置为0，切向和轴向随叶片变化而自由移动
优化前后设计点性能参数变化如表。优化后效率增加0.790%，压比提升0.475%，质量流量增加0.705%，出口熵增降低3.853%。
图为优化前后出口性能参数对比，从图中可以看出出口效率在30%叶高以上提升，在30%叶高以下略有下降；总压比在整个径向高度全部提升。
叶片优化后效率在近堵点基本无提升，在近失速点提升较大，压比在近堵点提升较小，近失速点提升较大，说明叶片优化在逆压梯度越大时，优化效果越明显。总体来说叶片优化后提升了变工况性能。
