Пять лучших методов создания сетки для камер сгорания газовых турбин в Ansys Fluent

Камеры сгорания представляют собой сложную геометрию, которая имеет мелкие части, такие как топливные форсунки, завихрители, эффузионные и разбавляющие отверстия. Из-за сложности геометрии камеры сгорания процесс создания сетки может быть долгим и затратным. Ansys Fluent ускоряет создание сетки для таких трудных случаев, предоставляя пользователям гибкий инструмент для создания высококачественной сетки, дающей надежные и точные результаты.

В данной статье обсуждаются пять лучших методов создания сетки для расчёта процессов в камерах сгорания газовых турбин с использованием метода Mosaic Meshing, на который Ansys Fluent заявили патент. Данный метод создаёт гексаэдрическую основную сетку внутри камеры и мозаичные полиэдрические ячейки, которые простираются до призматических слоев (inflation) стенки. Ниже приводятся пять лучших методов создания сетки для сложной геометрии.

1. Пошаговый шаблон «чистой» геометрии (Watertight Geometry Workflow).
2. Мозаичная поли-гексаэдрическая сетка с параллельной масштабируемостью.
3. Призматические слои (inflation).
4. Разрешение сетки для частей камеры сгорания.
5. Целевые показатели качества.

Высокое разрешение сетки необходимо для того, чтобы точно смоделировать распределение потока в камере сгорания, форму пламени, теплоотдачу около внутренней стенки и состав уходящих газов. Гексаэдрические элементы желательны для моделирования горения, поскольку обеспечивают высокую точность расчёта. К сожалению, камеры сгорания нельзя покрыть полностью структурированной гексаэдрической сеткой. Использование чистой гексаэдрической сетки обычно требует обширной декомпозиции домена или даже использования неконформных интерфейсов сетки. Ansys Fluent заявил патент на метод, называемый мозаичной сеткой, которая производит гексаэдрическую сетку в основной части камеры и мозаичные полиэдрические ячейки, которые простираются до призматических слоев стены. Таким образом получаются высококачественная гексаэдрическая сетка в основной части камеры сгорания, где турбулентность учитывается с помощью модели крупных вихрей (LES), и изотропная поли-призматическая сетка в оставшейся части, где используется гибридное масштабное разрешающее моделирование, такое как Stress-Blended Eddy Simulation (SBES), с моделью RANS возле стен.

Ниже подробно описаны пять лучших методов создания сетки для камер сгорания газовых турбин с использованием Ansys Fluent.

1. Пошаговый шаблон «чистой» геометрии (Watertight Geometry Workflow). Этот удобный для пользователя шаблон на основе задач по созданию сетки сокращает время обучения Fluent Meshing, одновременно ускоряя работу с помощью встроенных подсказок в каждой задаче.

2. Мозаичная поли-гексаэдрическая сетка с параллельной масштабируемостью. Эта практически запатентованная методика ускоряет создание сетки за счет использования высококачественных гексаэдрических ячеек в основной части расчётной области и перехода к изотропным полипризматическим слоям на стенках. При использовании мозаичной поли-гексаэдрической сетки можно генерировать более 10 миллионов ячеек в минуту при параллельном запуске.

3. Призматические слои (inflation). Они являются ключевыми для моделирования тепловых и газодинамических пограничных слоев потока газа вдоль корпуса камеры сгорания. Использование трех слоев позволит точно и систематически моделировать особенности пристенного потока при одновременном снижении общего количества ячеек.

4. Разрешение сетки для частей камеры сгорания. Камеры сгорания состоят из сложных деталей, которые должны иметь высокое разрешение сетки для получения точных результатов. Следуя нашему методу разрешения сетки для деталей камеры сгорания – завихрителя, топливного распылителя, зоны горения, камеры нагнетания, эффузионных и разбавляющих отверстий, а также области разбавления струи – вы получите высококачественную готовую сетку для нужд CFD.

5. Целевые показатели качества сетки. Эта статья поможет вам разобраться с необходимыми показателями качества, которые включают в себя хорошее ортогональное качество и соотношение сторон (aspect ratio).

 

1. Пошаговый шаблон «чистой» геометрии (Watertight Geometry Workflow)

Пошаговый шаблон «чистой» геометрии Ansys Fluent ускоряет создание сетки, делая рабочий процесс гибким и удобным для пользователя благодаря наличию специальных задач. Возможно настроить шаблон с учётом лучших практик для повторного использования со сложной геометрией.

Прежде чем импортировать геометрию во Fluent, вы можете задать именованные наборы поверхностей и объемов в Ansys SpaceClaim. Вы также можете настроить свои секторные периодические именованные наборы, которые впоследствии можно будет использовать во Fluent для создания конформных по узлам периодических именованных наборов (Nodally Conformal Periodics).

По мере прохождения пошагового шаблона и выполнения задачи рядом с ней появляется зеленая галочка, если она была успешно выполнена. Выполненные задачи, которые могут быть улучшены, будут обозначены зеленой галочкой со звездой, как показано на рис. 1.1, например, поверхностная сетка с максимальным показателем скошенности (skewness) больше 0,7. Щелчок правой кнопкой мыши на задаче позволит вам вставить новую задачу для улучшения качества сетки.

Рисунок 1.1 – Каждая задача в пошаговом шаблоне «чистой» геометрии высвечивает значок по завершению.
Задачи со звездой могут быть улучшены, а задачи с предупреждением дадут вам знать, как исправить эту проблему.

 

В основанные на задачах пошаговые шаблоны Fluent встроены лучшие методы для обеспечения качества сетки в виде значений параметров по умолчанию. Опытные пользователи могут поставить галочку, чтобы показать более продвинутые настройки. По мере наполнения этого шаблона необходимыми задачами и внесением изменений в расширенные параметры можно сохранить шаблон рабочего процесса (workflow template, WFT), который можно повторно открыть и применить к другим геометриям.

Вы также можете автоматизировать процесс создания сетки по шаблону «чистой» геометрии с помощью файла журнала на основе языка Python для Batch Meshing. Это можно сделать, открыв Fluent и загрузив файл журнала. Затем Fluent будет выполнять операции, такие как импорт геометрии, добавление локальных размеров для тел влияния, создание поверхностной и объемной сетки с заданием минимальных и максимальных значений размера ячеек. Настроенные пользователем задачи могут быть записаны в скрипт-файле и добавлены в рабочий процесс во время работы по журналу.

Рис. 1.2 – Пошаговые шаблоны Fluent на основе задач с внедренными передовыми методами ускоряют создание сетки и улучшают её качество.
Вы можете легко вставлять новые задачи или даже запускать пользовательский журнал и сохранять персонализированный пошаговый шаблон для дальнейшего использования.

 

Использование данного пошагового шаблона обеспечивает высококачественную сетку и гарантирует получение надежных результатов в большинстве случаев при расчёте камер сгорания. В некоторых случаях могут потребоваться дополнительные параметры в зависимости от вашей геометрии.

 

2. Мозаичная поли-гексаэдрическая сетка с параллельной масштабируемостью

Задача «Create Volume Mesh» в пошаговом шаблоне «чистой» геометрии создаёт объёмную мозаичную поли-гексаэдрическую сетку. Mosaic poly-hexcore – это почти запатентованная методика ANSYS Fluent, которая ускоряет время создания сетки и обеспечивает более быстрый и точный расчёт. Также с использованием этой методики удаётся уменьшить количество граней, повысить качество ячеек и поднять эффективность параллельной масштабируемости.

Использование мозаичной поли-гексаэдрической сетки для сложной геометрии камеры сгорания помогло ведущему производителю авиационных двигателей увеличить скорость создания объемной сетки в 20 раз и сократить время расчёта на 30-50% по сравнению со старыми методами.

Мозаичная технология позволяет создавать полиэдрические соединения между различными типами сеток. Недавно введённый метод Poly-Hexcore первым вобрал в себя эту методику для соединения вытянутых многогранных призм на границе со структурированными выровненными гексаэдрами в основном объёме.

Мозаичная поли-гексаэдрическая сетка представляет собой комбинацию гексаэдрических, изотропных поли-призм и мозаичных полиэдрических элементов, как показано на Рис. 2.

Рис. 2.1 – Mosaic poly-hexcore объединяет элементы призматического слоя у стены с гексаэдрами с помощью высококачественных полиэдров.

 

Используя высококачественные полиэдрические и гексаэдрические элементы в основном объёме, эта сетка автоматически и конформно делает переход к призматическому пристеночному слою. Гексаэдрические элементы желательны из-за их точности и эффективности. Сетка из гексаэдрических элементов при том же разрешении позволяет уменьшить количество граней. Чем ниже количество граней, тем быстрее выполняется расчёт и тем меньше требований к оперативной памяти и дисковому пространству.

Использование мозаичной поли-гексаэдрической сетки для расчёта камер сгорания имеет много преимуществ по сравнению с использованием только полиэдрической сетки, как указано в Таблице 1.

 

Таблица 1. Сравнение сетки Mosaic Poly-Hexcore со стандартной полиэдрической сеткой для камер сгорания газовых турбин

Создание высококачественной поли-гексаэдрической объемной сетки основной части камеры может быть значительно ускорено за счет распараллеливания.

При использовании только 64 ядер ведущий производитель авиационных двигателей смог создавать около 7,5 миллионов ячеек в минуту с максимальной ортогональной скошенностью ниже 0,7.

Параллельный режим не ограничивается 64 ядрами. В мозаичной поли-гексаэдрической сетке может создаваться более 10 миллионов ячеек в минуту при работе на 256 ядрах.

Рис. 2.2 – С помощью Mosaic poly-hexcore можно генерировать более 10 миллионов ячеек в минуту при работе на 256 ядрах.

 

3. Использование лишь трёх призматических слоёв

При моделировании процессов в основной части камеры сгорания газовой турбины применяется модель турбулентности LES для точного расчёта смесеобразования и формы пламени. Однако LES не может точно смоделировать особенности пристенного потока без очень высокого и часто недоступного разрешения сетки. Поэтому, следует использовать гибридное масштабное разрешающее моделирование, такое как SBES, применяя RANS вблизи стенок.

При применении RANS вблизи стенок наш третий метод предполагает использование трех призматических слоев (inflation). Было доказано, что эти три слоя дают достаточно точные результаты. Использование трех призматических слоев также позволяет избежать проникновение ячеек друг в друга в узких проходах и небольших отверстиях.

Рис. 3.1 – Три пристеночных слоя inflation дают точные результаты, поскольку Fluent использует гибридное моделирование, такое как SBES, применяя RANS вблизи стенок.

 

Полученные результаты будут точно описывать аэродинамический и тепловой пограничные слои, что имеет решающее значение для оценки долговечности камеры сгорания и расчёта коэффициентов теплопередачи.

 

4. Разрешение сетки для частей камеры сгорания

Типовая камера сгорания показана на рис. 4.1 с подробным описанием частей, на которых мы рекомендуем использовать наши лучшие методы разрешения сетки. Использование этих методов приведет к получению сетки высокого разрешения для точного предсказания распределения потока по всем частям.

1. Завихритель и распылитель.
2. Зона горения.
3. Разбавляющие отверстия.
4. Зона вторичного воздуха.

Использование приведенных ниже методов обеспечит высококачественную сетку, которая гарантирует получение точных результатов с помощью Fluent.

Рис. 4.1 – На примере типовой камеры сгорания газовой турбины показаны детали, для которых рекомендуется применять нашу методику:
1. Завихритель и распылитель. 2. Зона горения. 3. Разбавляющие отверстия. 4. Зона вторичного воздуха.

 

Разрешение завихрителя и распылителя. Точное моделирование распределения потока и 20-30% воздуха, проходящего через клапанный регистр камеры сгорания, имеет решающее значение. Наличие высокого разрешения сетки в области завихрителя и распылителя обеспечит правильное моделирование топливовоздушной смеси, что приведет к точному прогнозированию воспламенения и свойств продуктов сгорания. Чтобы получить необходимые вам результаты, мы рекомендуем создать 10-15 ячеек по диаметру завихрителя. Это позволит рассчитать тепловую нагрузку первичной зоны и убедиться, в том, что образующаяся топливовоздушная смесь соответствует проектной для заданной геометрии завихрителя.

Рис. 4.2 –Высокое разрешение сетки в области завихрителя и распылителя обеспечит правильное моделирование топливовоздушной смеси.

 

Разрешение зоны горения. Равномерная однородная сетка необходима в зоне горения для точного моделирования смешивания, формы пламени и состава продуктов сгорания. Наша методика заключается в использовании тела влияния (BOI) в зоне горения для создания высококачественной однородной сетки. Преимущественно гексаэдрическое тело влияния (Hexahedral Dominant BOI) точно предсказывает смешивание от завихрителя и распылителя, а также распространение разбавляющей струи в первичную зону. Это тело влияния обеспечивает плавный переход сетки от клапанного регистра к зоне горения с высоким разрешением, чтобы размер ячеек резко не менялся.

Мозаичная сетка позволяет зоне горения камеры сгорания быть преимущественно гексаэдрической, используя технологию мозаики для соединения гексаэдрических ячеек с призмами на стенках.

Рис. 4.3 – Преимущественно гексаэдрическая сетка в зоне горения камеры сгорания обеспечивает однородность для точного моделирования.

 

Разрешение разбавляющего отверстия. Для точного моделирования местного сужения потока и распространения струи через разбавляющие отверстия мы рекомендуем делать 8-10 ячеек по диаметру разбавляющего отверстия. Такое разрешение сетки поможет точно смоделировать эффекты быстрого охлаждения потока от разбавляющих отверстий и температурное поле в жаровой трубе камеры сгорания.

Разрешение за пределами зоны горения. Разрешение сетки в зоне вторичного воздуха может быть более грубым, чем в первичной зоне. При необходимости можно применить разрешение сетки для модели турбулентности RANS для уменьшения количества ячеек. Тем не менее, рекомендуется делать достаточное разрешение в этой области, чтобы точно предсказывать распределение потока, и иметь более тонкую сетку вблизи стенок для точного моделирования теплопередачи.

Рис. 4.4 – Грубое разрешение сетки в зоне вторичного воздуха для уменьшения количества ячеек при одновременном точном моделировании распределения потока

 

5. Target Mesh Quality

Качество вашей сетки играет значительную роль в точности и устойчивости расчётов с применением численных методов. Fluent позволяет проверить качество сетки, чтобы вы могли убедиться, что у вас хорошее ортогональное качество и низкое соотношение сторон. Если отображаемые значения не соответствуют требованиям, то вставьте новую задачу после создания сетки, чтобы улучшить её качество. Использование методов, приведённых в этой статье, должно привести к получению высококачественной, готовой к расчётам сетки.

Ортогональное качество – это мера сонаправленности между векторами нормальными к грани ячейки и векторами, соединяющими центр ячеек с центрами соседних ячеек. Качество изменяется от 1 (отлично) до 0 (плохо). Если возможно, то необходимо добиваться минимального значения хотя бы 0,1. Высокое ортогональное качество гарантирует, что расчёт будет устойчивым. Ортогональное качество будет отображено в консоли после создания объемной сетки, и, если это значение необходимо улучшить, вы можете легко вставить новую задачу «Improve Volume Mesh», в которой вы можете указать целевое качество ячейки и минимальный угол, до которого вы хотели бы улучшить сетку.

Рис. 5.1 – Вычисление ортогонального качества ячейки.

 

Соотношение сторон – это мера растяжения ячейки. Оно вычисляется как отношение максимального значения к минимальному значению любого из следующих расстояний: нормальных расстояний между центроидом ячейки и центроидами грани или расстояний между центроидом ячейки и узлами. Для единичного куба максимальное расстояние равно 0,866, а минимальное 0,5, поэтому соотношение сторон равно 1,732. Лучше всего избегать резких и больших изменений в соотношении сторон ячеек в областях, где поле потока демонстрирует большие изменения или сильные градиенты. При создании сетки в камере сгорания, используя наши методы, вы должны ориентироваться на максимальное соотношение сторон менее 100.

Рис. 5.2 – Вычисление соотношения сторон (aspect ratio).

 

Технологии в автомобилестроении и авиастроении значительно улучшились за последнее десятилетие, и инженеры должны использовать инструменты нового поколения, которые могут автоматизировать генерацию и проверку надежных и безопасных систем. С появлением на горизонте нового интегрированного инструментария, предложенного проверенным лидером отрасли, пришло время инженерным командам сочетать интеллектуальные функции продуктов своей компании с интеллектуальными инженерными инструментами и процессами, которые обеспечивают точные и надежные результаты при небольших затратах времени и средств.

Сопряженная теплопередача для долговечности. В этой статье описываются лучшие методы создания сетки для камер сгорания с использованием Ansys Fluent, но важно отметить, что Fluent сам может создавать сетку для сопряженных моделей теплопередачи (CHT). Все слои цилиндра, включая металл, связующее покрытие и теплозащитное покрытие, могут быть покрыты сеткой с конформным интерфейсом на границе раздела жидкость – твердое тело. Анализ СНТ может быть выполнен с помощью вихрарезрешающих моделей турбулентности, что приведет к упрощенному одностороннему моделированию взаимодействия жидкости и структуры с термопрочностным анализом. На рис. 5.3 показана конформная связь между металлом, покрытым полиэдрами, и зоной горения, покрытой гексаэдрами и полиэдрами. Общий рабочий процесс CHT можно увидеть на рисунке 5.4

Рис. 5.3 – Конформная сетка между поверхностью раздела жидкость-стенка типовой газовой турбины для моделирования CHT.

 

Рис. 5.4 – Общая модель рабочего процесса CHT для прогнозирования износостойкости и срока службы.

 

 

Статья получена на основе перевода и адаптации публикации Ansys "5 Best Practices for Gas Turbine Combustion Meshing Using Ansys Fluent ". 
Analysis and Development of Safety-Critical Embedded Systems. White Paper, pp. 1-6, 2020.