Flow Simulator 最初由GE航空部门开发,用于飞机发动机的二次空气系统分析,后逐步扩展到GE的能源、交通,油气等7个部门,用于系统级快速仿真。2021年Altair公司将其收购,作为 Altair CFD 解决方案的一部分。
什么是二次空气系统?燃气轮机进行冷却的常用方法是从压气机中抽取部分压缩空气,使其按需要合理的流经燃烧室、叶片、轮盘等高温部件进行冷却和保护,或流入轮盘腔室进行增压、起到密封作用。这样的一个空气系统称作燃气轮机的二次空气系统。
工业设备存在着大量的流动管网:如飞机发动机的冷却系统,燃烧系统,润滑油系统;新能源车的电池冷却模块,空调管路;燃油车的动力舱冷却系统;天然气,氢气的存储和运输系统;火电、核电站的热力管路等等。
由于这些设备尺寸庞大,部件数量较多,或运行周期相对很长,三维计算无法满足要求。采用一维流动网络,热网络的方法不仅建模效率高,而且通过实验或三维仿真标定,同样可以达到较高的精度。
用户可以导入图片,用于定位元器件的实际位置,更直观的展示系统布局。
也可以导入CAD数据,通过识别特征点、线,自动创建管路、弯头、Y管等元器件,提高建模效率。
后处理可以在每个计算单元上显示温度、压力、流量等云图。瞬态结果也可以显示动画。
可以采用表格的方式显示各个单元的物理量,描绘曲线。也可采用查询模型,从数百个单元中快速筛选符合条件的结果。
输入参数也可以云图展示各种变量,如管路长度,直径等等,一目了然。
每个element代表一个标准的元器件,如:泵、阀门、压缩机、风扇、岔管、弯头、密封、轴承、换热器、水箱、气囊等。Vortex是一种特殊的element,用于旋转机械内部的漩涡模拟。
Controller用于在计算过程中改变chamber或element的参数,如下图所示的一个简单流体控制系统:
Controller7根据Chamber2的压力调整阀门开度
Controller8根据element3的流量调整孔板4的面积
Thermal network定义热网络,并可以和流动网络耦合,如计算长距离输送的热力管路和外界的热交换。
燃气轮机叶片和盘腔高速旋转,并承受巨大的热负荷。在计算二次空气系统的时候需要考虑旋转效应,才能精确的分析热平衡。Cavities模型将盘腔沿径向分成若干份,利用角动量守恒原理分析旋转机械中的流体速度,压力、温度和流动角度的变化。
分析一个压力罐加压到400psi,然后通过阀门泄压到稳定压力所需要的时间。
燃气轮机透平动叶顶部凹槽的冷却孔流量不均匀,利用PID控制器调节孔径,使得流量接近目标值0.014lb/s。
2个PID控制器监测出口流量,并自动调节小孔面积。
PID控制器调整结果:小孔面积差别27%,但是流量接近相等。
对于复杂,但是有规律可循的大系统建模,可以利用Excel的宏命令功能,批量创建一维网络,提高建模效率。
尽管Flow Simulator的元器件库已经包含了丰富的管路,泵、阀、控制器等元件,用户任然可以采用Python或Fortran语音定义自己独有的元器件。
概率分析采用蒙特卡洛法和拉丁超立方法创建设计空间,研究系统输出变量对输入变量的响应,并可以拟合成传递函数。DOE方法则需要用户创建确定的多任务运行清单,一个提交数十、百个计算任务。
例如:在燃气轮机的轮盘冷却模型中,用Probabilistic工具分析上游开孔的面积和角度对下游气流旋度的影响。
设置小孔的角度、面积的数值上下界限,各自创建20个计算工况:
拟合传递函数曲线(在这个例子中,二阶拟合函数就达到较高的精度):
Flow Simulator具有单目标优化功能Goal Seek, 也可以结合HyperStudy实现多学科、多目标的联合优化。
例如:压气机抽气量的计算:用户设定目标流量,Goal Seek自动寻找匹配的管路直径。
多学科优化工具HyperStudy驱动FlowSimulator进行DOE参数扫描和响应面拟合:
通过对流,传导,热辐射元件搭建热网络模拟复杂的传热现象:
集成NASA的化学反应库Chemical Equilibrium with Applications (CEA), 可以模拟燃烧过程的温度压力变化。考虑Rayleigh损失, 从而确定燃烧器的进出口压力和马赫数。
锅炉耐火砖内测是500K的高温,外侧是300K的室温
压力罐的充放气对标:高压储气罐在阀门的控制下向低压环境排气,计算气体流量和罐内的压力变化(可以考虑气体的焦耳-汤姆孙效应)。