全新体验的Fluent Meshing | 在燃烧室中的应用

航空发动机主燃烧室网格

燃烧室往往几何复杂，模型中有详细的特征，如燃油喷嘴、旋流器、发散冷却孔、掺混孔等。正因为燃烧室复杂几何特性，针对它的网格划分过程往往需要非常长的时间和较多人力、硬件资源。Ansys Fluent可加速大尺寸、复杂结构的燃烧室的网格划分过程，使客户拥有生成高质量网格的完全控制方法，从而保证生成鲁棒且精准的计算结果。

为捕捉到燃烧室中的流动分配、火焰形状、火焰筒壁温以及污染物排放等物理化学过程，在仿真时往往需要对几何模型局部进行网格加密。通常情况下，六面体网格的仿真精度会较高，但是燃烧室复杂的结构本身很难生成完全结构化的六面体网格。鉴于此，Ansys Fluent提供了一项专利技术，即“Mosaic网格”技术, 可在核心区生成六面体为主的网格，并在边界层及贴体部分生成多面体网格。这个技术可以在燃烧室核心区域生成高质量的六面体网格，这是像LES湍流模型所要求的，而在其它区域生成多面体-棱柱网格，可使用混合尺寸求解湍流模型，如SBES模型等。

本文将根据Ansys工程师多年与行业顶尖客户的合作经验，详细介绍在燃烧室方向进行Fluent网格划分的5个最佳实践点。

Ansys Fluent WTM流程是一个用户界面友好、基于任务的工作流程，可为客户提供必要的选项，并可灵活地针对客户具体需求进行自定义。

在将几何模型导入到Fluent之前，可先用Ansys SpaceClaim进行几何前处理，尤其是做面和体的命名。当然Fluent Meshing也支持生成周期性边界的网格。

在使用Fluent WTM流程时，每当完成一个任务，Fluent Meshing会自动生成一个绿色对勾。已经完成的任务也可以被改善，例如，当面网格质量最大扭曲度大于0.7时，Fluent meshing会生成一个绿色对勾，但在上面会一个绿色星标，右击它则允许客户插入新的任务，以进行相应的修改。

Fluent Meshing WTM流程

Fluent WTM将积累的最佳实践方法内嵌到各个子任务中，以默认值的形式。高级用户可以方便地检查和修改相应选项。当客户根据自己需求自定义相关任务后，也可以保存流程模板，这个模板可被再打开以及应用在其它几何上。

客户也可以使用基于python语言的文件来对Fluent Meshing进行批处理操作。

Mosaic Poly-Hexcore网格是Ansys Fluent Meshing的专利技术，它可加速网格划分速度，以保证更快、更准确的仿真求解，通过减少网格面数量，提升网格质量及高效并行扩展来实现加速网格划分的。

相比于之前的方法，对复杂结构的燃烧室模型使用Mosaic网格使得航空发动机用户在网格划分时间压缩约20倍，同时求解时间压缩30-50%。

Mosaic技术可用多面体网格连接不同类型的网格，它是六面体网格、多面体棱柱网格、多面体网格的结合。

Mosaic 网格

在大区域使用高质量的多面体到六面体网格，这种技术完全自动化并与附面层网格连接。六面体网格的仿真精度和效率较好，同时也大大减少了总的网格面数量，网格面数量减少会带来更快的计算速度和更低的内存/硬盘需求。

生成高质量的多面体-六面体核心网格技术可充分利用Ansys Fluent并行网格划分的优势。例如，仅仅使用64核的电脑，航空发动机客户就能实现每分钟生成750万网格并保证最大正交扭曲度在0.7以下。

而在另外一个测试中，在256核机器上，Mosaic poly-hexcore技术生成速率超过了一分钟一千万网格。

Fluent Meshing具有良好的并行扩展性

在Ansys Fluent中进行燃气轮机燃烧仿真，LES模型常用于在核心区域精确捕捉掺混以及火焰形状。然而，LES模型在求解贴近壁面处流动特征时容易得到准确解，尤其是在客户未设置非常高质量壁面网格时。因此，Fluent使用混合尺度求解方法，如SBES，在壁面处使用RANS方法。

对于在壁面的RANS计算，推荐使用3层附面层网格。这种方法已经被证明可生成客户所需的准确结果，同时也可避免在狭窄通道或小板孔中可能的网格塌陷。

准确地模拟出燃烧室内的流动分配至关重要，一般会有约20-30%的空气会通过罩帽进入燃烧室，这部分空气对于燃烧组织尤其重要。在旋流器和喷嘴区域设置合理的网格分辨率可保证仿真的油气比是正确的，而它会影响点火过程以及污染物排放的计算准确性。为此，一般在旋流器直径方向布置10-15层网格。这个网格分辨率能够保证旋流器和喷嘴位置处的仿真精度。

在燃烧室的核心区，需要均匀的网格来保证掺混、火焰形状和污染物排放的仿真准确性。在此，一般使用BOI（body of influence）的方法来对燃烧室核心区域进行加密和控制。六面体核心的BOI带来的网格可准确预测旋流器和喷嘴的掺混、掺混孔的贯穿深度等。同时这个BOI也要确保从罩帽到核心区的网格平滑过渡。Mosaic网格可保证两者之间的平滑过渡。

燃烧室核心区域网格分布

为准确捕捉到掺混孔区域的缩流断面和射流贯穿深度，Ansys推荐在掺混孔直径方向布置8-10层网格，这样的网格分辨率可保证准确预测掺混孔的淬熄效应及其在火焰筒的位置分布。

燃烧室环腔的网格尺度可以比主燃区网格稀疏，如需要，你可以使用RANS的网格分辨率来进一步减少网格量。当然Ansys推荐您在此处也布置足够的网格分辨率来准确计算流动分配和壁面换热系数。

燃烧室外环腔网格分布

网格质量对于仿真精度和稳定性有重要作用，Ansys Fluent有检查网格质量的功能，如Orthogonal Quality和Aspect Ratio.

对于orthogonal quality，1表示质量完美，0代表质量最差，Ansys推荐最低orthogonal quaility大于0.1，以保证求解的鲁棒性。你可以在WTM中生成体网格后，通过插入“Improve Volume Mesh”来进一步优化网格质量。

Aspect Ratio是衡量网格拉伸程度的量，最好避免它突然大的跳跃。若Aspect Ratio有大的变化，往往流场也会带来大的改变或强梯度变化。在对燃烧室网格划分时，尽量将最大aspect ratio控制在100以内。

按照上述5个方面进行燃烧室网格划分，可以得到数量少、质量高的计算网格，这是燃烧室仿真结果准确的重要前提。为做验证，本文还使用Ansys Fluent Meshing对文献【1】中燃烧室进行了网格划分，并使用Fluent对其进行了热声振荡仿真。此燃烧室仿真的难点在于燃烧振荡问题的准确模拟，需要在具体技术层面如网格划分、湍流模型、求解器等进行相关设置。通过对仿真结果的分析，发现使用Fluent计算得到的燃烧室仿真压力波动及功率谱密度均与试验结果吻合较好。

燃烧室示意图

燃烧室压力脉动试验与仿真对比

燃烧室压力功率谱密度试验与仿真对比

【1】 Broda et al., 27th Symposium (Int.) on Combustion 1998, pp. 1849–1856