來(lái)源：BETA CAE Systems

簡(jiǎn)介

本文將介紹 ANSA Turbo 模塊下的 Blade 功能。作為專為渦輪機(jī)械葉片開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分自動(dòng)化工具，Blade 工具適用于軸流式葉片的六面體網(wǎng)格劃分。這一工具能夠根據(jù)葉片的三維形態(tài)自動(dòng)識(shí)別流道區(qū)域并劃分 Hexa Block 盒子，從而快速生成六面體網(wǎng)格。用戶僅需預(yù)先定義好 Property，并輸入合適的網(wǎng)格參數(shù)，工具將自動(dòng)完成整個(gè)流程，提高工程師建模的效率，也確保了渦輪機(jī)械仿真中對(duì)網(wǎng)格一致性、可控性與精度的嚴(yán)格要求。

前期準(zhǔn)備

在使用 Blade 功能前，為方便工具中的自動(dòng)化模板進(jìn)行各區(qū)域的正確識(shí)別，需要預(yù)先為葉片的幾何模型劃分 Property。

以下圖 1 的葉片為例，需要?jiǎng)澐殖?Blade, Hub, Shroud, Inlet 和 Outlet 五個(gè) Property。這一操作可以借助 Geometry 菜單下的 Set PID 功能完成。

圖 1 為軸流式葉片劃分 PID

此外，需指定前緣和后緣的特征線，并分別保存在 Set 中。將 Set 命名為 LE （Leading Edge）和 TE （Trailing Edge）以做區(qū)分，如圖 2 所示。

圖 2 為軸流式葉片指定前緣/后緣

定義葉片級(jí)參數(shù)

完成 PID 分配及前緣線、后緣線的定義后，即可使用 Blade 功能為葉片構(gòu)建結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。

Blade 功能位于 Hexa Block 菜單下的 Turbo 模塊中，以 CFD 布局打開(kāi) ANSA 時(shí)，Hexa Block 菜單將默認(rèn)位于頁(yè)面上方的菜單欄中。

圖 3 Blade 功能位置

Blade 的功能窗口如圖 4。第一步需要指定葉片級(jí)參數(shù)，即周期性流道的數(shù)量、旋轉(zhuǎn)軸和計(jì)算域。

圖 4 Blade: Stage Definition

對(duì)于本例而言，在 Number of passages 處輸入 76，即周期性通道數(shù)為 76 個(gè)。

在 Rotation axis and origin 中，選擇全局坐標(biāo)軸的原點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)軸原點(diǎn)，Z 軸為軸向。除了直接輸入數(shù)值外，也可以通過(guò)在 ANSA 圖形區(qū)中點(diǎn)擊兩個(gè)點(diǎn)定義矢量的方式來(lái)定義旋轉(zhuǎn)軸。

Domains 分類中，如果包含 Inflow，Outflow 或 Open 的區(qū)域可以相應(yīng)勾選，并在前一步中為這些區(qū)域劃分 PID，本例中保持默認(rèn)不勾選。

窗口左下角還有一個(gè)文件夾和保存的圖標(biāo)，代表此功能中用到的參數(shù)可以保存為模板并在后續(xù)應(yīng)用中使用。

定義葉片表面邊界

第二步是定義葉片表面邊界。

Tip 指定葉片在 Hub 或 Shroud 側(cè)的尖端，這里選擇 No tip。

Leading edge/Trailing edge 用于指定前緣/后緣的形狀，可以選擇 Rounded 或 Blunt，本例模型為 Rounded。

Fillet 指葉片和 Hub/Shroud 連接位置是否存在圓角，此處選擇 No fillet。

Periodic sides 用于定義周期性邊界，如果選擇 Calculated 則會(huì)根據(jù)當(dāng)前的參數(shù)設(shè)置計(jì)算周期性邊界，此外也可以選擇 Specific 并指定相應(yīng)的表面為周期性邊界。

在 Property 命名恰當(dāng)?shù)那闆r下，窗口下方的 Surface 和 Property 欄將會(huì)自動(dòng)匹配，如圖 5 所示，否則需要手動(dòng)選擇。在 LE Set 和 TE Set 中指定前緣線和后緣線所在的 Set，在命名恰當(dāng)時(shí)同樣會(huì)自動(dòng)匹配。

圖 5 Blade: Surface Definition

指定網(wǎng)格參數(shù)

第三步為指定網(wǎng)格參數(shù)，分為對(duì)網(wǎng)格尺寸的定義，及對(duì)葉片/流道頂端/流道底端的細(xì)化設(shè)置，也相當(dāng)于邊界層的設(shè)置。

對(duì)于網(wǎng)格尺寸，有三種定義方式：Automatic, Number per direction 和 Advanced。

在 Automatic 模式下，僅需指定總單元數(shù)和增長(zhǎng)率，ANSA 將會(huì)自動(dòng)計(jì)算網(wǎng)格尺寸。

圖 6 Mesh Size: Automatic

Number per direction 模式可以指定三個(gè)維度的網(wǎng)格層數(shù)（Inlet to outlet，Hub to shroud，Blade to blade）及增長(zhǎng)率。

圖 7 Mesh Size: Number per direction

Advanced 模式下，需要指定最大和最小的網(wǎng)格尺寸、增長(zhǎng)率以及畸變角度。

圖 8 Mesh Size: Advanced

對(duì)于葉片/流道頂端/流道底端的細(xì)化設(shè)置，一般來(lái)說(shuō)僅需要指定第一層高度和增長(zhǎng)率。但對(duì)于 Blade refinement 而言，當(dāng) Mesh size 設(shè)置為 Automatic 或 Number per direction 時(shí)還可指定更多網(wǎng)格細(xì)化的方式，包括 Automatic，Distance 和 Number of steps。

選擇 Automatic 時(shí) ANSA 會(huì)自動(dòng)計(jì)算，除第一層高度和增長(zhǎng)率外無(wú)需額外定義。

選擇 Distance 時(shí)需要額外指定偏移距離。

圖 9 Blade Refinement: Distance

選擇 Number of steps 則需額外指定偏移方向上的層數(shù)。

圖 10 Blade Refinement: Number of steps

在本例中，我們采用如圖 11 所示的網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置。

圖 11 Blade: Mesh Parameters

指定網(wǎng)格生成相關(guān)參數(shù)

第四步需要指定網(wǎng)格生成相關(guān)的參數(shù)。

生成網(wǎng)格后體網(wǎng)格將自動(dòng)保存在 fluid 類型的 property 中，因此需要在 Fluid property name 指定該 property 名稱，此處保持默認(rèn)為 Fluid。

用戶可以在 Number of passages to mesh 中指定將劃分網(wǎng)格的通道數(shù)目，本例中設(shè)置為 1。

Generate shell mesh 和 Generate volume mesh 代表是否生成面網(wǎng)格和體網(wǎng)格，如果均不勾選，將只劃分盒子而不生成網(wǎng)格，此處保持勾選。

Calculate on multiple sections 主要針對(duì)高度彎曲的葉片，當(dāng)需要計(jì)算截面上的網(wǎng)格時(shí)需要勾選此選項(xiàng)，此處不勾選。

圖 12 Blade: Mesh Generation

確認(rèn)網(wǎng)格生成效果

最后一步是對(duì)網(wǎng)格生成效果的預(yù)覽，點(diǎn)擊 Finish 將確認(rèn)生成網(wǎng)格，如果對(duì)生成效果不滿意，也可點(diǎn)擊 Back 回到前序步驟重新配置參數(shù)。

圖 13 Blade: Confirm the created topology

本例中生成的網(wǎng)格效果如下（為了方便查看已關(guān)閉幾何面顯示），從圖 14、圖 15 中可以看到 Blade 功能根據(jù)葉片的幾何形狀自動(dòng)劃分了盒子，并生成了高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，在葉片、流道頂部和底部的壁面附近也生成了邊界層。

圖 14 Blade生成的網(wǎng)格效果

圖 15 葉片附近的網(wǎng)格

總結(jié)

以上介紹了 ANSA 中專用于渦輪機(jī)械葉片結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分的自動(dòng)化工具——Blade 功能，詳細(xì)介紹了該功能的適用范圍、功能窗口及相應(yīng)得參數(shù)設(shè)置，并展示了生成的網(wǎng)格效果。借助該工具，用戶能夠在高度自動(dòng)化的流程中為葉輪機(jī)械仿真獲得質(zhì)量穩(wěn)定、拓?fù)淝逦牧骟w網(wǎng)格，大幅提升前處理效率。

作者 | 李梓月

Cadence CAE 工程師