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第十二章 跨叶片截面模块 12.1绪言 本章针对透平机械讲述快速三维跨叶片截面模块的分析过程。这个模块是全自动完成的并且利用一些NUMECA工具。 此外，附加模块FINE™/Design2D这些工具联系起来，可以进行叶片重新设计，改善叶片表面压力分布，关于这些详见第13章。 这个模块假设流动是轴对称的，并且流面形状和厚度也由用户提供或由参数自动生成(利用根部和顶部边界)。 几何输入数据必须由用户提供： 1、 流面及叶片这个流面上的截面或 2、 完整的叶片轮廓及端壁 本模块由网格自动生成与NS湍流方程组成。 在下一节讲述这个跨叶片截面模块的界面及对用户的建议。12-4节讲述自动生成网格的理论和求解方程。12-5节讲述几何数据和输出结果。12-6讲述实例。 12-2跨叶片截面模块的界面 在FINE™/Design2D界面之下运行跨叶片截面模块，这些可以高速，简单，交互式求解。所有参数可以在用户界面中选取，并自动创建输入文件及求解。 监视工具，MonitorTurbo,可以在计算中和计算后检查收敛情况及结果。它可以实时查看叶片表面压力分布的收敛过程及叶片几何形状。 结果分析利用 NUMECA CFViwe™ 后处理工具进行，自动进入跨叶片截面模式。 几何数据以ASCII输入文件列出，但是求解参数定义及边界条件在这个界面中列出。 这个截面的描述由FINE™/Design2D界面中的菜单创建。更详细的说明见12-5. 12.2.1开始新的或打开现存S1面计算 在开始界面下，Project Selection窗口允许创建新工程或打开现存工程。对于创建新的跨叶片截面工程，按如下操作： 1、 单击按扭Create a New Project 2、 选取工程保存路径及输入文件名 3、 关闭Grid File Selection窗口，Design 2D不需要输入网格文件 4、 进入S1流面模块，菜单Modules/Design 2D 如果要打开现存工程，在Project Selection窗口中单击Open an Existing Project按扭，并在File chooser窗口中选取一个文件。最近使用过的文件在最近工程列表中列出。如果所选取的文件是以Design2D模式保存的，则FINE™界面自动转到这个相应的模块，显示界面如图12.2.1-1所示。 FINE™/Design2D界面如同FINE™/Trubo界面一样，包括菜单，工具栏，计算设置与参数区域。在菜单中同样也有一个Modules项，可以快速转到其它模块。Design2D模块的图标栏仅包括2D计算内容。界面左侧的参数列表也是与2D计算一致的。这一项的大多数内容与FINE™/Turbo工程是相似的。之间的差别仅在于：  在Flow Model页：Design2D模块不能进行非定常计算。  Boundary Conditions页的说明见12-2.3  Blade-to-blade data页的说明见12-2.2  Initial Solution页的说明见12-2.5 12.2.2 跨叶片截面数据 Blade-to-blade data页(上图左侧倒数第三行展开)出现三个分项：  叶片几何模型，参阅12.2.2.1  网格生成参数，  反问题：仅需2D设计参数，不需要分析。详见第13章。 叶片轮廓和子午流面(或端壁边界)是由一些连续的点的坐标构成的ASCII文件输入，详细说明见12-5节 所有的几何数据都有一个相同的长度单位(可以任意选择)。这个长度单位设置是在Blade geometry页Blade geometry项进行选择。 12-2.2.1 叶片几何定义 输入数据类型有三种形式可用： -2D：仅对轴流适用，且流面为圆柱面(半径为常数)。这个叶片几何模型是在这个流面上。 -Q3D：The axisymmetric streamsurface is given, and the blade geometry is specified on the given surface. -3D: 这个完全的3D几何模型是由连续的叶片截面组成（最少数2个截面，次序是从根部到顶部）。 a) 流面数据 图12.2.2-2显示了输入参数区域。对不同的输入文件类型需要输入文件：  2D 或 Q3D：流面定义文件  3D ：端壁文件，两个文件，根部曲线和顶部曲线 输入文件类型为3D则需要附加参数：  几何分区或用户定义流面 Geometrical division 或 streamtube provided  如果是Geometrical division：展向位置为0-1之间  如果是streamtube provided：输入两个文件(两条直线) In both cases the module automatically calculates the intersection of the 3D blade with the considered streamsurface。 对3D类型，推荐展向边界网格厚度为1% In a 2D，Q3D or 3D case with streamtube provided, the blockage ratio permits to scale the streamtube thickness distribution. 无论哪种输入数据类型，都必须设置 NB of points along meridional trace.这个值默认为300. b) 叶片几何数据 在Blade Geometry页，依据输入数据类型，叶片几何定义需要如下参数：  叶片几何数据文件： -2D或Q3D：吸力面与压力面文件 -3D：展向截面数及每个截面的位置，每个截面的压力侧与吸力侧文件  前缘钝角边：如果选取，则前缘钝角处理  尾缘钝角边：如果选取，则尾缘钝角处理  分流叶片：(我对这个没兴趣)  长度单位：用户输入数据所采用的单位，为米与所采用单位之比(如果输入的数据单位为毫米，则这个比值为0.001)。全部几何数据必须采用相同单位，即用户所选取的这个单位。  叶片数或周向长度：对2D输入类型，这个值为周向长度，Q3D或3D类型，这一项为输入叶片数。图12.2.2-3

c) 叶片数据编辑 选取Blade data edition将修改前缘或与尾缘数据。

12-2.2.2网格生成参数 如图12.2.2-5这一项必须由用户修改。系统默认值对大多数网格是适用的。 可用的网格生成参数有：  H- or I网格：用户可选是否包含上游和/或下游网格。  生成方式：全自动或半自动 -对全自动模式，用户仅需指定吸力侧网格点数。其它区域的网格数按光顺需要计算出。 -对半自动模式，用户指定上游或下游的网格倾斜角度，以及每个区域的网格数。  圆周方向网格数:这个数最好是8的倍数，这样有四重网格可用。  周期性边界的类型：选取直线或曲线。默认为周期性边界线为曲线。  在下面的三页中的参数影响了网格的质量和分布 a) clustering 第一个参数clustering coefficient in streamwise direction输入值范围为从0.0到1.0。如果值为1.0则网格均匀分布，如果为0.0则所有网格点集中在边缘。 第二项为定义Euler网格生成还是N-S网格生成。如果选取了N-S网格生成还必须设置以下参数：  第一层网格单元的尺寸(单位：米)  pitchwise 方向的网格数  从叶片边缘到进口或出口的clustering 类型，constant 或 decreasing b) smoothing 椭圆形光顺可改善网格质量。用户可选clustering control 与orthoganallty control，并设置光顺次数Number of sweep.

c) local pre-smoothing 局部光顺用于前/尾缘半径的网格。

12-2.2.3 反问题设计菜单 这个菜单为反向设计模块。当进行流动分析时，这项菜单的内容不需要指定。对于反问题模块的详细说明见第13章。 12-2.3 边界条件 在Boundary conditions 这一页允许定义进出口边界及旋转速度。 这个Rotational speed单位必须是RPM(revolutions per minute每分钟转数，旋转方向的正向与θ定义的正向相同，参看图12.5.1-12) 12-2.3.1 进口边界条件 以下为可用的进口边界条件：  绝对速度方向(弧度)+绝对总量(Pa ,K)  相对速度方向(弧度)+相对总量(Pa, K)  绝对速度分量Vθ(m/s)+绝对总量(Pa, K)  相对速度分量Vθ(m/s)+相对总量(Pa, K)  质量流量(kg/s)+绝对速度方向(弧度)+静温(K)  质量流量(kg/s)+相对速度方向(弧度)+静温(K)  质量流量(kg/s)+ 绝对速度分量Vθ(m/s)+静温(K)  质量流量(kg/s)+ 相对速度分量Vθ(m/s)+静温(K) 用户选取其中一种方式设置进口条件。

12-2.3.2 出口边界条件 有三种出口边界条件可用：  出口静压(Pa)  质量流量(kg/s)(+出口静压用于初始计算)  超音速出口(出口静压由初始计算)

零阶和一阶外推法可用，同时可用专家模式(默认为零阶)。 设置质量流量为边界条件对于反问题方法则是比较稳定的。因此在分析过程中也推荐用质量流量作为边界条件。比较理想的设置是质量流量进口和压力出口，或是进口的总量与出口质量流量。 12-2.4 数学模型 通常Numerical Model参数的默认值是适当的。 In the blade-to-blade module it is not possible to perform the calculations on a coarser mesh level as it is the case with 3D projects. 12-2.5 初始求解菜单 需要提供一个初始静压或是Initial Solution File用于求解。如图12.2.2-9