Газодинамический расчет радиального вентилятора. Расчет и результаты

Steady State расчет

Газодинамический расчет проводится в программе CFX-Solver Manager. При запуске нужно будет выбрать опцию Run Mode — Intel MPI Local Parallel. Далее выбираете число физических или виртуальных ядер вашего процессора. Запускаете расчет.

CFX-Solver Manager Run

В начале расчета появится вкладка User Points, здесь и будет выводиться линия dP. Кроме того, желательно вывести на монитор графики имбаланса по расходу на входе/выходе каждого домена. Для этого кликаете ПКМ возле вкладки User Points и выбираете New Monitor, название задавайте любое. Далее в пункте Imbalance выбираете все три домена, и в каждом берете значение P-Mass Imbalance, жмете ОК. Данные графики удобны для контроля стабильности значения расхода воздуха во всех доменах.

New Monitor

Когда графики давления и P-mass imbalance будут почти горизонтальными, расчет можно приостановить кнопкой STOP. В данном случае это не окончательный расчет, а промежуточный, отсутствие постоянного значения давления на данном этапе не критично.

Running solution радиального вентилятора

Теперь результаты расчета. Выведем картину распределения полного давления и скорости в продольном сечении радиального вентилятора. Обратите внимание на максимальную скорость воздуха в межлопаточном канале — 94 м/с, запомним это значение, оно нам пригодится для настройки следующего расчета. И как можно заметить, скорость воздуха здесь резко меняется на границе перехода из ротора в улитку. Чтобы получить более естественную картину скоростей в сечении радиального вентилятора, вместо Velocity нужно вывести картину Velocity in Stn Frame, что означает скорость относительно неподвижной системы координат.

Статическое давление в сечении радиального вентилятора
Скорость воздуха в сечении радиального вентилятора

Transient расчет

Transient расчет — это расчет, зависящий от времени. Снова заходим в Setup модуля Fluid Flow (CFX) и в Turbo Mode опцию Steady State меняем на Transient.

Значение Total time — полное время, длительность процесса, которое вы хотите симулировать. Выбирать надо такое значение, чтобы за заданное время процесс успел установиться. Можно задаться для начала 10 секунд. Timestep выбирается по условию: timestep = 1/ω, где ω — частота вращения колеса в радианах. Такой шаг по времени дает неплохой стабильный расчет, можно на нем остановиться. Но для нашего примера я сделаю по-другому: timestep выбирается по условию: timestep < mesh element / velocity. То есть за каждый шаг по времени нам нужно, чтобы воздух с заданной скоростью не успел пройти один элемент полностью. Теперь вспоминаем нашу максимальную скорость воздуха, полученную в Steady stade расчете, а также размер элемента в той локальной зоне максимальной скорости воздуха, в результате получаем, что наш шаг по времени должен быть менее, чем 0,001/94 = 0,0000106 с. Для нашего расчета выбираем значение 0,00001 с.

Кликаем Next и в Physics Definition указываем Interface — Default Type — Transient Rotor Stator. Затем прокликиваем все остальные разделы модуля Turbo Mode до финиша, при предупреждении об изменении типа интерфейсов кликаем OK. В Solver Control укажите максимальное число итераций за один таймстеп — 5 и задайте целевой уровень невязок в Solver Control уже на уровне 0,0001.

Transient
Transient Rotor Stator
Solver control transient

Закрываем модуль Setup и снова запускаем расчет, причем новый расчет должен подхватить предыдущий и продолжиться. То есть Steady State расчет был нам нужен для того, чтобы для Transient расчета «подготовить» поля скоростей воздуха во всем объеме радиального вентилятора, чем мы сильно облегчили старт Transient расчета и, кроме того, получили предварительную картину поля скоростей в проточной части вентилятора.

Часто на старте Transient расчет выдает ошибку *** INSUFFICIENT MEMORY ALLOCATED ***. В таком случае закрываем расчет и снова запускаем. Но теперь мы ставим галочку Show Advansed Controls. На появившихся вкладках Partitioner и Solver ставим значение Memory Alloc Factor — 2. В большинстве случаев проблема с нехваткой памяти решается, а если нет, то пробуйте «поиграться» с этими значениями.

Memory Alloc Factor
Memory Alloc Factor

Итак, в ниже приведенных графиках для сравнения мы показали два варианта — расчет при timestep 0.00017 c и 0.00001 c. В первом случае это был вариант, где ротор за один раз проворачивался на 1/10 часть межлопаточного канала, при этом мы игнорируем скорости потока воздуха, а во втором случае мы рассчитали timestep, исходя из скорости воздуха, полученной в Steady State расчете. Но как увидим позже, в транзиентном расчете скорость воздуха оказалась еще больше, поэтому необходимо уменьшить timestep еще сильнее. Однако стоит вопрос: а нужно ли? Уменьшение значения timestep значительно увеличивает время расчета, и результат получается более точный, но, как мы видим, примерно такое же значение давления на выходе получается и при более грубом расчете. Если мысленно провести среднюю линию на графике давления, то в обоих случаях мы получим 1200 Па. Если бы мы не выводили график во время расчета, а вместо этого останавливали расчет, чтобы измерить разницу давлений, то в случае грубого расчета мы могли бы попасть на «скачок» значения давления, из-за чего наши выводы расчета оказались бы неверны.

В результате Transient расчета получены более точные результаты, нежели в Steady State. Картины скоростей также несколько отличаются: в теле улитки радиального вентилятора теперь можно заметить некие флуктуации, следы за лопатками, что заметней на поле Velocity in Stn Frame.

Статическое давление в сечении радиального вентилятора
Скорость воздуха в сечении радиального вентилятора
Отн. скорость воздуха в сечении радиального вентилятора
Скорость воздуха в сечении радиального вентилятора

Газодинамический расчет радиального вентилятора окончен!

<- Настройка расчета

Если хотите задать вопросы или же что-то добавить к статье, то пишите в соответствующей теме на нашем форуме JustCAE!

Дополнительные моменты

  • Почему при расчете не учитывали Total Energy? В данном вентиляторе это было необязательно. Так как степень сжатия газа низкая, то и изменение температуры пренебрежимо мало. Кроме того, включение Total Energy увеличивает время расчета, поэтому учитывать это стоит только в случае необходимости.
By | 2017-11-05T18:24:53+00:00 Сентябрь 8, 2017|Categories: CFD|Tags: , , , , |