某型单级轴流压气机性能仿真与试验
文案 | 市场部
配图 | 来源互联网
1案例描述
针对某型单级轴流压气机进行CFD仿真计算和多次试验测量，得到仿真结果和一系列上下波动的试验数据，用户面临如下问题：
1.根据仿真和试验数据，如何判定压气机实际性能（如增压比）？
2.仿真结果与试验结果有较大差别，应当如何定量评估仿真模型误差精度并对其进行优化提升？
3.根据要求对超出额定转速的工况进行CFD仿真计算，如何在缺乏试验数据情况下对其结果精度和误差进行初步评估以指导设计？
2仿真模型求解精度验证
采用Star ccm+软件对压气机性能进行初始仿真计算：
▲ Star ccm+进行几何计算域建模
▲ Star ccm+进行网格划分和边条设置
▲ Star ccm+计算初步结果（Relative Ma）
调用物理模型精度分析模块对K-Omega、K-Epsilon、S-A三种湍流模型精度进行评估（以增压比π为例），发现K-Omega模型精度最高，选择该模型：
▲ 不同湍流模型精度对比分析
调用离散误差精度评估模块对三套叶片网格1、2、3（特征尺寸比为1：1.5：2.25），计算得Mesh2网格离散误差精度为±0.026，符合要求选取Mesh2：
▲ Mesh1、2、3的增压比精度对比
调用计算收敛误差精度分析模块对上述仿真结果残差曲线进行评估，得到其精度为±0.00007，符合要求：
▲ Star ccm+计算收敛后残差曲线
综合上述结果可得合成后的仿真模型求解精度为±0.0266。
3UQ不确定性量化分析
调用SimV&Ver的UQ不确定性量化分析模块，对4个输入参数（转速、级进口总压、进出口背压、进口气流角）不确定性导致的响应量（增压比π）变化结果进行分析，得其上下限为±0.08：
▲ 4个输入参数概率分布形式
▲ 响应量（增压比）概率分布结果
根据计算结果可对各输入参数对响应量的敏感度系数进行分析：
▲ 输入参数敏感度系数柱状图
4仿真与试验结果对比与误差分析
调用仿真与试验结果对比与误差分析模块，对CFD仿真与试验结果误差进行对比分析。
根据试验测得增压比累积分布曲线，可得该级压气机压比不低于1.57的概率为95%，符合设计要求。
试验与仿真结果的叶片表面静压分布（15个测点）曲线的确认指标（Validation Metrics）为0.9827。
5Updating仿真模型精度自动优化模块
调用SimV&Ver CFD的Updating模块，根据试验结果采用多目标优化算法（Multi-Optimization）对CFD仿真模型进行精度提升；增压比与试验值相对误差减小；
修正后静压分布测点确认指标（Validation Metric）由0.9827提升至0.9945；
采用仿真模型预测功能（Prediction）对110%额定转速下压气机增压比进行误差和精度预测（80%、90%、100%额定转速已经试验确认），得到仿真结果误差预测值为0.0198±0.0256：
▲ 仿真与试验增压比误差与不确定度拟合曲线
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