CN115906718B - 一种旋转机械cfd*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转机械CFD***，其特征在于，包括流体介质库，CFD求解器，前处理模块，求解器设置模块，收敛性设置模块，后处理模块；所述流体介质库存储多种流体介质的属性参数；所述求解器设置模块用于获取CFD求解器计算所需要的前置条件和基础数据；所述前处理模块用于根据所求解问题建立旋转机械几何模型，并根据前置条件提取流体域，然后生成每一流体域对应的CFD计算网格；所述CFD求解器用于对网格化的流体域进行流体仿真计算，并将计算结果发送给所述后处理模块；所述后处理模块用于根据计算结果获取流场分布情况，根据需要提取不同位置的流场信息验证是否达到仿真目的以及对旋转机械几何模型结构参数进行优化。

Description

一种旋转机械CFD***

技术领域

本发明属于计算机软件、流体力学技术领域，具体涉及一种旋转机械CFD***。

背景技术

CFD (Computational Fluid Dynamics)即计算流体力学。它是数值数学和计算机科学结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉学科，它以电子计算机为主，应用各种离散化的数学方法，对流体力学的各类问题进行数值实验、计算机模拟和分析研究以解决各类实际问题。

CFD从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体动力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响，是目前国际上一个强有力三维研究领域，是进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、涡轮机设计、半导体设计等诸多工程领域。

目前在旋转机械的工程应用和高校科研当中主要采用的仿真软件主要有ANSYS、Start-CCM+ 、simeric MP+、Numeca、openfoam等国外商用软件，国内亟需一款拥有自主知识产权的旋转机械CFD软件。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种旋转机械CFD***，用来填补国内旋转机械专业CFD软件的空白。

本发明的技术方案为：

一种旋转机械CFD***，其特征在于，包括流体介质库，CFD求解器，前处理模块，求解器设置模块，收敛性设置模块，后处理模块；

所述流体介质库，用于存储多种流体介质的属性参数，每一属性参数对应一种流体介质的物理参数及计算公式；

所述求解器设置模块，用于获取所述CFD求解器计算所需要的前置条件和基础数据；

所述前处理模块，用于根据所求解问题建立旋转机械几何模型，并根据所述前置条件提取流体域；然后计算求解所使用的湍流模型对网格的要求生成每一流体域对应的CFD计算网格；

所述收敛性设置模块，用来设置所述CFD求解器的计算终止条件；

所述CFD求解器，用于对网格化的流体域进行流体仿真计算，并将计算结果发送给所述后处理模块；

所述后处理模块，用于根据所述计算结果获取流场分布情况，根据需要提取不同位置的流场信息验证是否达到仿真目的；以及根据所述计算结果对所述旋转机械几何模型结构参数进行优化。

进一步的，所述求解器设置模块的设置内容包含：流体介质设置、边界条件设置、初始化设置、选项设置、多块设置、启动CFD设置、多工况设置；

所述流体介质设置，用于根据仿真对象选择流体介质，并根据所选流体介质选择相应的计算公式；所述计算公式包括平衡方程、热平衡方程、输运方程；

所述边界条件设置，用于根据实际工况设置流体域进出口的计算类型和具体条件参数；

所述初始化设置，用于根据设定的边界条件估算整个CFD数值模拟过程中迭代计算的初值；

所述选项设置，用于对流体域的进口、出口设置对应的边界条件模型；

所述多块设置，用于选择可压缩与不可压缩、空间离散格式、Merkle预处理、全局残差光顺处理、求解精度、中间结果的保存；

所述启动CFD设置，用于设置运行参数；

所述多工况设置，用于通过调整转速工况点和边界类型工况点一次性运行多个计算工况。

进一步的，所述求解器设置模块的设置内容还包括求解器选项设置；所述求解器选项设置，用于选择分析计算所采用的湍流模型、壁面处理方式、时间推进格式、分解矩阵自由参数；所述运行参数包括定常或非定常、求解器优先级、求解时是否绘制残差曲线、定时开始运行时间。

进一步的，所述求解器选项设置中可选的湍流模型包括：Baldwin-Lomax model、Spalart-Allmaras 1-equation model、Inviscid Euler solution、Laminar solution、k-epsilon 2-equation model、k-omega 2-equation model、SST 2-equation model；可选择的壁面处理方式有对数定律轮毂/机匣剪应力、无粘性轮毂、无粘性机匣、无粘性轮毂/机匣、层流轮毂/机匣剪应力；可选择的时间推进格式有原始B-to-B 3D、二阶龙格库塔、四阶龙格库塔、隐式。

进一步的，所述边界条件设置中，入口边界的设置包括总压或流量、总温或总焓、速度方向；出口边界的设置包括流量或机匣的总压、压比或压差，叶中的总压、压比或压差，轮毂的总压、压比或压差。

进一步的，所述启动CFD设置中还包括进行CPU并行模式设置，所述CPU并行模式有三种：纯MPI模式、纯OpenMP模式、MPI与OpenMP的混合模式。

进一步的，所述求解器设置模块还包含多重网格设置，用于选择使用多重网格法，通过在不同尺度网格之间的插值重构，来加速所述CFD求解器的收敛性计算；所述多重网格设置根据网格的粗细程度包括0~N个层级，0表示不使用多重网格法，层级从1~N表示网格尺寸逐渐变大，网格***。

进一步的，还包括商业流体介质库接口，用来导入其他商业流体介质库。

进一步的，还包括商业CFD求解器接口，用于导入其他商业CFD求解器。

进一步的，还包括结果导出接口，用于将求解计算结果导出。

本发明的优点如下：

1.在前处理模块中，半自动化的结构化网格划分，能够快速高效的对旋转机械模型进行拓扑切分，后台捕捉几何尺寸自动化布点，高质量网格生成迅速。

2.在求解器设置模块的流体介质设置中，以及求解器设置模块的商业流体介质库接口中，流体材料库增加了大量的真实流体介质，能够适用更宽广的工程领域，计算更贴合实际情况。

3.在求解器设置模块的边界条件设置时，可以自动的设置边界条件和求解相关参数，同时也可通过用户自定义设置进行局部参数修改，具有较强的便捷性和灵活性。

4.在求解器设置模块的多重网格设置、以及多块设置的Merkle预处理设置中，采用多重网格加速收敛以及Merkle预处理使得求解效率大幅度提高，相比普通商软可大大节省计算时间，并且其计算精度较高，其残差可降到十多阶。

5.在求解器设置模块的多工况设置中，可以通过使用多工况界面简单设置就可一次启动多个计算工况，省时省力，高效便捷。

附图说明

图1是本发明的一种旋转机械CFD***的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

一种旋转机械CFD***，包括以下部分：流体介质库，CFD求解器，前处理模块，求解器设置模块，收敛性设置模块、后处理模块；

流体介质库包含多种真实流体介质的属性参数，每一属性参数对应一种流体介质的物理参数及计算公式（如平衡方程、热平衡方程、输运方程）；流体介质包含但不限于制冷剂、烷烃、燃料、常用气体、水等常用流体介质。

求解器设置模块用于获取求解器计算所需要的一些前置条件和基础数据。可通过界面菜单设置，也可以直接在配置文档编辑设置。

前处理模块用于根据所求解问题建立三维旋转机械几何模型，并根据实际计算条件和网格生成难易程度对几何模型进行合理简化，并通过分析后续计算求解所使用的湍流模型对网格的要求来进行CFD计算网格的生成，最后通过界面模块将网格图像展示给用户。简化指的是对几何模型进行光滑化、参数化处理；光滑化指的是抹平几何表面的小坑洼、尖角，目的是减少测绘噪声、减少计算量、减少电脑内存消耗量；参数化是为了对接网格生成模块的数据格式，参数化同样有可能改变几何形状。

收敛性设置模块用来控制整个求解器计算的终止条件，可以选择通过残差减小到某个数量级还是质量流量误差小于某个值来控制是否停止计算，一旦求解达到其自定义设定的标准则计算停止。

CFD求解器用来对网格化的流体域进行实际的流体仿真计算，在“求解器设置模块”设定选取需要的算法模型；CFD求解器内部包含底层的物理、数学算法架构，用来将流动场进行数学建模从而进行一系列仿真计算得到计算结果。

后处理模块用于通过将结果转化为结果云图和矢量图以及部分曲线图等来分析流场分布情况，根据需要提取不同位置的流场信息来分析所研究的问题，验证其是否达到仿真目的，并根据仿真结果对所述旋转机械几何模型结构参数生成相应的优化方案，同时可对计算的结果进行转化、保存及输出。

进一步的，求解器设置模块包含以下内容：流体介质设置、边界条件设置、初始化设置、选项设置；设置所用CFD求解器、求解器选项设置、多块设置、启动CFD设置、多工况设置。

流体介质设置：用于根据仿真对象选择流体介质（仿真对象与所述旋转机械几何模型对应，仿真对象为水泵，则所述旋转机械几何模型为水泵模型，对应的流体介质是水；仿真对象为压气机，则所述旋转机械几何模型为压气机模型，对应的流体介质是空气），并根据所选流体介质选择相应的计算平衡方程、热平衡方程、输运方程。

边界条件设置：用于根据实际工况设置流体域进出口的计算类型和具体条件参数。实际工况为机械工作的温度、气压或水压、转子的转速等。在前处理模块生成网格时，凡是属于流体域的区域，都要构建网格。

初始化设置：根据设定的边界条件来估算整个CFD数值模拟过程中迭代计算的初值。

选项设置：可以对流体域的进口、出口进一步详细设置其边界条件模型，针对动静交互面选择数据传递方式，对于进口、出口、动静交互面有无反射进行设定。

求解器选项设置：用于选择分析计算所采用的湍流模型、壁面处理方式、时间推进格式、分解矩阵自由参数。

多块设置：用于选择可压缩与不可压缩、空间离散格式、Merkle预处理、全局残差光顺处理、求解精度、中间结果的保存。其中，可以选择的空间离散格式有：中心差分、三阶迎风（AUSM）格式、一阶迎风（AUSM）格式。液体的流体工质一般使用不可压缩，气体的流体工质一般使用可压缩，分别对应不同的求解方程。

启动CFD设置：用于设置运行参数：定常或非定常、求解器优先级、求解时是否绘制残差曲线、定时开始运行时间。

多工况设置：通过调整转速工况点和边界类型工况点可以一次性运行多个计算工况。

优选的，求解器选项设置中可以选择的湍流模型有：Baldwin-Lomax model、Spalart-Allmaras 1-equation model、Inviscid Euler solution、Laminar solution、k-epsilon 2-equation model、k-omega 2-equation model、SST 2-equation model；可以选择的壁面处理方式有对数定律轮毂/机匣剪应力、无粘性轮毂、无粘性机匣、无粘性轮毂/机匣、层流轮毂/机匣剪应力；可选择的时间推进格式有原始B-to-B 3D、二阶龙格库塔、四阶龙格库塔、隐式（高斯-赛德尔）；同时需要设置分解矩阵三个方向的自由参数BII、BJJ、BKK。

进一步的，求解器设置模块还包含多重网格设置，可以选择使用多重网格法，通过在不同尺度网格之间的插值重构，来加速CFD收敛性计算；

多重网格设置根据网格的粗细程度可选择0~N个层级，0表示不使用多重网格法，层级从1~N表示网格尺寸逐渐变大，网格***。同时选择收敛性计算时在不同层级网格之间的循环策略，循环策略有V型循环、W型循环，FMV型。

进一步的，边界条件设置中，流体域的入口边界可以指定总压或流量，总温或总焓，速度方向；出口边界可以指定流量或机匣、叶中、轮毂三点之一的总压或压比或压差。但不能够同时指定入口和出口的质量流量。

优选的，启动CFD设置中，还可以进行CPU并行模式设置，CPU并行模式有三种：纯MPI模式、纯OpenMP模式、MPI和OpenMP混合模式。

优选的，一种旋转机械CFD***，还包括商业流体介质库接口，用来导入其他商业流体介质库。

优选的，一种旋转机械CFD***，还包括商业CFD求解器接口可以导入其他商业CFD求解器。

优选的，一种旋转机械CFD***，还包括结果导出接口，可以将求解计算结果导出，导出文件格式支持其他商业CFD求解器打开和进一步处理，包括Plot3D，Paraview，CGNS，Tecplot等。

本发明旋转机械CFD***的具体工作流程为：

1.前处理模块参数化创建旋转几何实体模型，提取流体域，半自动化进行流体域网格划分。

2.进入流体材料库中选择所需的工质。

3.选择湍流模型及壁面处理方式，根据需要开启能量方程，设置进出口的边界条件进行流场初始化，设置求解格式、计算过程中的监测物理量、定常非定常求解、迭代步数，时间步长，内迭代步数，保存步数。

4.求解并将分析结果进行云图、矢量图显示查看流场分布情况。

5.结果文件输出与保存。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种旋转机械CFD***，其特征在于，包括流体介质库，CFD求解器，前处理模块，求解器设置模块，收敛性设置模块，后处理模块；

所述流体介质库，用于存储多种流体介质的属性参数，每一属性参数对应一种流体介质的物理参数及计算公式；

所述求解器设置模块，用于获取所述CFD求解器计算所需要的前置条件和基础数据；所述求解器设置模块的设置内容包含：流体介质设置、边界条件设置、初始化设置、选项设置、多块设置、启动CFD设置、多工况设置和多重网格设置；

所述流体介质设置，用于根据仿真对象选择流体介质，并根据所选流体介质选择相应的计算公式；所述计算公式包括平衡方程、热平衡方程、输运方程；

所述边界条件设置，用于根据实际工况设置流体域进出口的计算类型和具体条件参数；

所述初始化设置，用于根据设定的边界条件估算整个CFD数值模拟过程中迭代计算的初值；

所述选项设置，用于对流体域的进口、出口设置对应的边界条件模型；

所述多块设置，用于选择可压缩与不可压缩、空间离散格式、Merkle预处理、全局残差光顺处理、求解精度、中间结果的保存；

所述启动CFD设置，用于设置运行参数；

所述多工况设置，用于通过调整转速工况点和边界类型工况点一次性运行多个计算工况；

所述多重网格设置，用于选择使用多重网格法，通过在不同尺度网格之间的插值重构，来加速所述CFD求解器的收敛性计算；所述多重网格设置根据网格的粗细程度包括0~N个层级，0表示不使用多重网格法，层级从1~N表示网格尺寸逐渐变大，网格***；

所述前处理模块，用于根据所求解问题建立旋转机械几何模型，并根据所述前置条件提取流体域；然后计算求解所使用的湍流模型对网格的要求生成每一流体域对应的CFD计算网格；

所述收敛性设置模块，用来设置所述CFD求解器的计算终止条件；

所述CFD求解器，用于对网格化的流体域进行流体仿真计算，并将计算结果发送给所述后处理模块；

所述后处理模块，用于根据所述计算结果获取流场分布情况，根据需要提取不同位置的流场信息验证是否达到仿真目的；以及根据所述计算结果对所述旋转机械几何模型结构参数进行优化。

2.根据权利要求1所述的旋转机械CFD***，其特征在于，所述求解器设置模块的设置内容还包括求解器选项设置；所述求解器选项设置，用于选择分析计算所采用的湍流模型、壁面处理方式、时间推进格式、分解矩阵自由参数；所述运行参数包括定常或非定常、求解器优先级、求解时是否绘制残差曲线、定时开始运行时间。

3.根据权利要求2所述的旋转机械CFD***，其特征在于，所述求解器选项设置中可选的湍流模型包括：Baldwin-Lomax model、Spalart-Allmaras 1-equation model、InviscidEuler solution、Laminar solution、k-epsilon 2-equation model、k-omega 2-equationmodel、SST 2-equation model；可选择的壁面处理方式有对数定律轮毂/机匣剪应力、无粘性轮毂、无粘性机匣、无粘性轮毂/机匣、层流轮毂/机匣剪应力；可选择的时间推进格式有原始B-to-B 3D、二阶龙格库塔、四阶龙格库塔、隐式。

4.根据权利要求1所述的旋转机械CFD***，其特征在于，所述边界条件设置中，入口边界的设置包括总压或流量、总温或总焓、速度方向；出口边界的设置包括流量或机匣的总压、压比或压差，叶中的总压、压比或压差，轮毂的总压、压比或压差。

5.根据权利要求1所述的旋转机械CFD***，其特征在于，所述启动CFD设置中还包括进行CPU并行模式设置，所述CPU并行模式有三种：纯MPI模式、纯OpenMP模式、MPI与OpenMP的混合模式。

6.根据权利要求1所述的旋转机械CFD***，其特征在于，还包括商业流体介质库接口，用来导入其他商业流体介质库。

7.根据权利要求1所述的旋转机械CFD***，其特征在于，还包括商业CFD求解器接口，用于导入其他商业CFD求解器。

8.根据权利要求1所述的旋转机械CFD***，其特征在于，还包括结果导出接口，用于将求解计算结果导出。

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