2-way-FSI. Сопряжение стационарного газодинамического и нестационарного теплового расчетов с помощью System Coupling.

Аватар пользователя sbogdanec
1 885

Расчет охлаждаемой турбинной лопатки в сопряженной постановке стационарного газодинамического и нестационарного теплового расчетов

 

В новой версии ANSYS 2019 R1 модуль System Coupling получил апгрейд до System Coupling 2.0. Вместе с этим в него был внедрен ряд улучшений, одним из которых является возможность сопряжения стационарного и нестационарного расчетов (Бета функция).

Данная возможность может быть применена для задач теплообмена в твердых телах с учетом газодинамики омываемой их среды. В задачах, которые требуют учета нестационарных эффектов теплообмена, и их двухстороннем взаимодействии с газодинамикой потока. В тех задачах где размеры временных шагов в тепловом и газодинамическом расчетах несопоставимы по величине и отличаются в сотни и тысячи раз.

Примером может являться задача расчета теплового состояния турбинной лопатки, в которой необходимо учитывать изменения, возникающие на переходных режимах.  Материал такой лопатки имеет начальное (время=0 сек) распределение температуры: снаружи лопатка омывается горячим потоком продуктов сгорания, а по внутренним каналам проходит охлаждающий воздух, отбираемый из соответствующей ступени компрессора.

Подготовка геометрии

Для постановки данной задачи необходимо иметь геометрию жидкостной и твердотельной зоны. В большинстве случаев имеется именно модель тела лопатки, а для получения жидкостной области необходимо применять дополнительные инструменты. Так одним из наиболее удобных вариантов выделения жидкостных областей является инструмент Volume Extract в ANSYS SpaceClaim. На данном этапе постановки задачи введем первое допущение/упрощение о том, что известна температура нижней части корневой полки лопатки.  За счет этого мы можем не учитывать теплообменное взаимодействие хвостовика лопатки с диском, и рассчитывать лопатку без хвостовика. Если есть необходимость расчета всей лопатки, то это не введет каких-то принципиальных отличий кроме тех, что необходимо будет знать дополнительные граничные условия в виде коэффициентов теплоотдачи охлаждающему воздуху и температур в контакте с диском.

Таким образом расчетная геометрия состоит из 1) каналов охлаждающего воздуха (Рис.1), 2) твердотельной модели рабочей лопатки (Рис.1) и 3) тела тока основного рабочего тела (Рис.2).

Рис.1 Домен тела тока каналов охлаждения (слева) Домен тела лопатки (справа)

 

Рис.2 Домен тела тока основного течения продуктов сгорания

Необходимо отметить то, что для настройки интерфейсов между всеми жидкостными доменами должны быть созданы отпечатанные поверхности-на обеих сторонах интерфейса (Рис.3). Это возможно сделать с помощью инструмента Imprint.

 

Рис.3. Тело тока. Вид снизу. Поверхности интерфейсов охлаждающий воздух-продукты сгорания

 

Построение сетки

Следующим этапом необходимо построить сетку для каждой части геометрии. Так как газодинамический расчет будет проведен в модуле ANSYS Fluent, а тепловой расчет в модуле Transient Structural, то сетку жидкостных доменов и сетку твердого тела необходимо строить в двух отдельных модулях ANSYS Meshing. К сетке предъявляются стандартные требования, нет необходимости в обязательном создании конформных интерфейсов жидкость/твердое тело. Важно только то, чтобы сетка не была настолько грубой, чтобы нарушались операции интерполяции в интерфейсах FSI (Mapping).

 

Рис.4.Сетка рабочей лопатки

Подготовка расчетной модели

Модуль Transient Structural

По большему счету настройка модели не отличается от отдельного теплового расчета в Transient Structural. Необходимыми дополнениями являются добавление граничных условий для передачи данных в сопряженный газодинамический расчет. Для этого используется ГУ Fluid Solid Interface, в настройках которого можно определить какой набор параметров будет передаваться. Для того чтобы помимо деформаций и силы также передавались и данные об теплообмене необходимо в строчке Data to Transfer [Expert] включить передачу всех данных- All System Coupling Data Transfer. Вторым необходимым условием является изменение типа элементов с помощью введения команды (Рис.5), а также установление начальной температуры лопатки (Рис.6).

Рис.5. Команда для изменения типа элементов

 

Рис.6. Команда для добавления начальной температуры

 

Модуль ANSYS Fluent

Настройка соответствует настройке стандартной стационарной задачи за одним исключением: необходимо в настройках границ, соприкасающихся с телом лопатки, установить соответствующее тепловое граничное условие (Рис.7). (Если требуется учитывать деформации, дополнительно необходимо настраивать динамические сетки (Dynamic Mesh)).

 

Рис.7. Тепловое ГУ

Для проверки правильности задания настроек рекомендуется запустить задачи газодинамики и теплообмена отдельно, без сопряжения. Если расчеты работают по отдельности, то подключаем строки Setup каждого модуля к модулю System Coupling. Теперь схема проекта выглядит следующим образом (Рис.8).

 

Рис.8. Схема проекта

Дерево настройки в конечном счете выглядит следующим образом:

Рис.9. System Coupling

В настройках System Coupling необходимо:

 1) настроить размер временного шага и их количество во вкладке Analysis Setting (Рис.10). Так как нестационарная постановка применена только к тепловому расчету, настройки в данном окне будут применены только к расчету теплообмена в Transient Structural.

Рис.10. Вкладка Analysis Setting

 2) настроить передачу данных с помощью добавления Data Transfer. На рисунке 11 показаны настройки двух Data Transfer для одной границы.  Первый передает значения температуры из Transient Structural, а второй передает тепловой поток из ANSYS Fluent. Такие пары Data Transfer созданы для каждой границы, через которую необходимо создать сопряжение температура-тепловой поток.

 

Рис.11 Настройка Data Transfer

После создания всех Data Transfer, запускаем сопряженный расчет с помощью кнопки Update. Управление сходимостью и устойчивостью задачи проводится теми же инструментами, что и при обычном сопряженном расчете. Когда все временные шаги рассчитаны, создаем модуль Results и переносим в него вкладки Solution. Это позволяет проводить одновременную пост-обработку теплового и газодинамического расчетов (Рис.12).

Рис.12 Схема с модулем постобработки

При постобработке возможно отследить характер и величину изменения поля температуры лопатки за установленное количество временных шагов. Распределение температуры по поверхности лопатки показывает, что установленные тепловые интерфейсы работают исправно: корневая полка лопатки нагревается со временем, а само тело лопатки охлаждается воздухом, протекающем внутри.

 

Рис.13. Изменение средней температуры поверхности лопатки от времени нагрева

 

Анимация нагрева турбинной лопатки. Цветом отмечена температура поверхности лопатки.

Комментарии

Аватар пользователя Onemore

Большое спасибо, очень интересная статья.

Добавить комментарий

Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии