一名旋转机械资深CFDer 使用NUMECA FINE/Turbo亲身体会

本文摘要（由AI生成）：

NUMECA是旋转机械CFD分析软件包，包括FINE/Turbo、FINE/Marine和FINE/Open等模块。其中，FINE/Turbo用于内部流动分析，包括几何和网格划分模块IGG/AutoGrid、求解计算模块EURANUS和后处理模块CFview。AutoGrid是结构网格自动生成器，快速、自动、高质量地划分叶轮机械网格。EURANUS是二阶精度求解器，采用多重网格加速收敛技术。AutoGrid5模块基于网格模板技术，无需手动调节拓扑结构，具有简单易操作的向导模式、丰富的CAD接口和自动设置网格边界条件等特点，适用于复杂几何结构的网格划分。Turbo是结构化网格求解器，具有快速、准确和低内存消耗的优势。

1、NUMECA软件介绍

NUMECA 国际公司于1992 年，在国际著名叶轮机械气体动力学及CFD 专家，比利时王国科学院院士、布鲁塞尔自由大学流体力学系主任查尔斯-赫思（Charles HIRSCH)教授的倡导下成立。其核心软件是在该系80~90 年代为欧洲宇航局(ESA)编写的CFD 软件— 欧洲空气动力数值求解器(EURANUS)--的基础之上发展起来的。

NUMECA这个单词的意思应该是取自NUmerical MEchanics appliCAtions这三个单词。

NUMECA是一个CFD分析软件包，分析软件包主要有FINE/Turbo、FINE/Marine、和FINE/Open 等，其中均包括前处理，求解器和后处理三个部分。

Fine这个单词的意义应该是取自这三个单词Flow INtegrated Environment。

FINE/Turbo 用于内部流动，FINE/Marine用于跨介质流动，FINE/Open 可用内外部流动，但为非结构自适应网格。

下面主要向您介绍一下FINE/Turbo。

FINE/Turbo是面向旋转机械的CFD分析体系，体系主要包括几何和网格划分模块IGG/AutoGrid，求解计算模块EURANUS，后处理模块CFview。

IGG是通用的结构网格生成器，优点是快速、界面友好（见仁见智）、易于使用，该模块也具备几何绘制功能。

AutoGrid是旋转机械结构网格自动生成器，可以快速、自动、多块的划分高质量的叶轮机械网格。

EURANUS是全二阶精度的采用多重网格加速收敛技术的CFD求解器。

CFview是功能强大流动显示器。可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。特别是可处理和制作适合于叶轮机械的任何S1 和S2 面，及周向平均图。

目前，NUMECA FINE/Turbo软件最新版本为13.2，于2019年3月发布的，软件的功能还是很强大的，在叶轮机械仿真计算方面有很大优势，在航空航天领悟使用的还是满多的。软件的专业性毋庸置疑。

这款软件的学习资料并不太多，并且软件专用于旋转机械领域，因此比fluent等主流CFD软件的学习成本大。

笔者在工作中学习并使用了igg/autogrid/euranus/cfview这四个模块的部门主要功能来仿真计算轴流透平产品，还是很专业很好用的。

『AutoGrid 5』

AutoGrid 5是AutoMesh中的重要组成模块，它是基于模板技术的叶轮机械全自动结构化网格生成器，在叶轮机械领域得到了广泛应用和好评。

其独有的Row Wizard功能，采用预先内置多种叶轮机械网格模板的方式来避免用户对拓扑结构和网格节点分布的大量手动调整，在保证网格质量的前提下，大幅减少了工程师的工作量和网格划分所需时间。在导入几何之后，应用网格模板生成高质量的结构化网格只需要数分钟时间。

AutoGrid 5是基于模板技术的叶轮机械全自动结构化网格生成器，在叶轮机械领域得到了广泛应用和好评。其独有的Row Wizard功能，采用预先内置多种叶轮机械网格模板的方式来避免用户对拓扑结构和网格节点分布的大量手动调整，在保证网格质量的前提下，大幅减少了工程师的工作量和网格划分所需时间。在导入几何之后，应用网格模板生成高质量的结构化网格只需要数分钟时间。

特点和特色：

基于网格模板技术，无需手动调节拓扑结构

简单易操作的向导模式

丰富的CAD接口，与多种CAD格式兼容

网格边界条件自动设置

网格划分速度快，网格质量高

完美适用于复杂几何结构的网格划分：

叶尖间隙、汽封通道、倒角、处理机匣

分流叶片、串列叶栅、加强板、凸凹叶顶

端壁冷却孔、平衡孔、零半径、叶片钝头

多级、非轴对称端壁、涵道、阻尼凸台、非谐对称叶片等

『AutoGrid5网格质量评判』

采用NUMECA中的AutoGrid5模块进行网格划分，理论上，网格最小正交性角度越接近90°越好，最大网格长宽比越接近1越好，最大网格延展比越接近1越好。但由于边界层以及几何的复杂性的存在，上述要求很难实现。

实际应用中一般要求如下：

最小正交性角度（min.Skewness）＞10°；

最大网格长宽比（max.Asp.Ratio）＜5000；

最大网格延展比（max.Exp.Ratio）＜10。

 *不但要考虑网格的极值，还要考虑平均值和分布位置问题！

在NUMECA FINE/Turbo体系中，求解器为Turbo，前身是NUMECA立身之本“EURANUS”核心。

Turbo是叶轮机械行业最为快速和准确的结构化网格求解器，求解快速、结果准确、内存消耗低是他最大的优势。

Turbo是全二阶精度结构化网格求解器，其基于密度的求解方法保证了快速的高速流场收敛速度，采用多重网格技术使得计算速度显著提高。

对不可压缩流采用先进的预处理技术，并提供了针对透平机械专用的边界及初场给定方法。通过求解时间相关的雷诺平均Navier-Stokes方程组来模拟不可压流体、可压缩亚音流/跨音速流动以及超音速流动等各种速度范围下的流动。

Turbo特色：

.支持在64位WINDOWS操作系统和LINUX操作系统下运行

.基于全二阶精度的数值格式，保证了计算精度

.采用先进的全多重网格技术和基于密度的求解方法保证了快速的流场收敛速度

.软件核心程序编写过程中对数据库结构进行优化，最大程度减小内存占用量

.具备良好的单节点/跨节点并行计算能力

.对低速/不可压流动采用先进的预处理方法，改善其求解的鲁棒性

.可使用强化隐式加速收敛技术，将计算收敛速度呈量级地降低

.非线性谐波法（NLH）技术可快速高精度地模拟叶轮机械非定常流动

.可采用源项法和实际网格建模进行流热耦合计算

.可应用模态法结合NLH模块进行流固耦合、颤振问题求解

.使用任务管理器TaskManager对并行计算进行分配，实现大量计算任务的高度自动化

.采用python语言可对不同的模型、流场模拟或结果输出进行全自动处理

以下是软件使用体会：

我个人在工作过程中使用NUMECA FINE/Turbo进行轴流叶轮机械产品性能分析，就软件使用体会和感想做以下总结：

1、基础知识方面

流体力学、计算流体力学还有旋转机械基本理论，这三个方面的基本知识是必备的，并且本着活到老学到老的态度不断学习。

2、标准和规范

无论是科研人员还是工程师，对一些标准和规范要进行深入学习和理解，比如性能测试的标准GB/T1236，噪声测试标准GB/T2888等。

掌握测试标准的重要性在于，仿真时边界条件的确定和设置，旋转机械仿真分析是本着取与实际实验相近的计算域和边界条件进行的。

3、关于设计部分

单纯的仿真工程师如果没有设计经历或者经验，是无法对仿真结果进行确认的。仿真不止是机械式的画好网格、输入边界条件、选好湍流模型、结果后处理的流水线式工作。基于现今仿真技术的跨越式发展，仿真已作为产品研发的虚拟实验，可以验证产品性能是否满足需求，并未涉及改进提供建议。

另外，最重要的一点，好的设计（流动合理，数学和物理范畴内正确），加上正确合理的仿真流程和方法，才能将仿真技术的优势发挥的淋漓尽致。一旦原始设计存在缺陷，仿真上一定不能得出满足的结果。

4、关于网格

IGG的逻辑和ICEM基本一致，基于“块”的思想划分结构化六面体网格。只是，ICEM是分块进行映射，而仅需要给出几个必需的面或者线来确定网格线或网格面的走向，便可直接 生成块中的网格。

对于AutoGrid，是带有拓扑模板的自动网格划分器，其逻辑与TurboGrid基本一致。只是，AutoGrid可以划分专为自家求解器使用的多重网格，充分利用多重网格加速技术，使得计算鲁棒性和收敛性得到大大改善。

不同于ANSYS通用网格划分器可直接对三维或二维几何模型划分生成网格，AutoGrid需要叶轮机械叶片和通道的几何数据点文件，数据点一般是由设计工程师提供，主要是叶片压力面和吸力面数据。

5、关于求解器

求解器是全二阶精度的，可允许y+是1或小于1的量阶, 从而可采用低雷诺数湍流模型，在网格长宽比小于5000范围内保持健壮（鲁棒性） ，基于多重网格加速技术，求解器非常快速，占用内存需求非常低，计算100万网格点的三维湍流问题，约需0.4～0.7G内存，比CFX计算开销要小。

同时，求解后，有一个mf总体性能文件，可快速查看叶轮机械总体性能参数，流场细节或特定结果处理需用CFview。

6、优势和缺点

个人最大的感觉就是，软件优势在于叶轮机械处理的一条龙服务的连续性好，网格划分、计算机后处理专业、专注，省去很多人工设置和计算的麻烦，再者就是求解速度快，占用资源少等等。

以上是numeca软件作为专业专注的叶轮机械仿真软件自带光环，然而，以下几点是我觉得不太完美的地方：

首先，IGG/AutoGrid中没有Undo/Redo的功能，操作失误后很有可能不可挽救，要重新再来。

再者，软件界面个人感觉还不是那么任性化，操作逻辑有时想不通。

最后就是，学习资料相对较少，市场推广的还不是那么好，叶轮机械从业人员也不是很多人用这款软件。