Fluent Meshing在燃气涡轮中的新应用探索

燃气涡轮叶片为了承受高负荷、高温度的工作环境，一般需要设计复杂的外部几何型面、内部冷却流道和冷却气膜孔结构，随着燃气涡轮产品的工作温度和转速不断提高，产品的冷却设计等结构也越来越复杂，这无疑大大增加了CFD仿真前处理和网格划分的难度、也降低仿真工程师的工作效率。

左图：气冷涡轮表面冷气流线图及换热量云图

右图：气冷涡轮表面温度云图及冷气流线图

传统仿真工程师一般习惯于使用CAD软件，如UG、CATTIA等进行几何前处理，然后使用网格划分工具，如ICEM CFD、Ansys Meshing等进行网格划分。面对几何结构越来越复杂的旋转机械叶片，传统网格前处理流程通常面对以下挑战：

1. 几何修复和流体域抽取操作繁琐。使用CAD软件进行几何修复、几何结构简化的工作量巨大且容易遗漏，对已有的叶片抽取计算流体域需要做大量布尔运算，操作十分繁琐；
2. 网格生成过程复杂、质量难以保证。使用传统网格划分工具进行复杂几何网格生成时，网格质量极大的依赖于仿真工程师的经验，新手工程师难以快速掌握传统网格生成工具，网格生成过程、加密方法均难以固化，极大的影响网格生成效率。

针对上述挑战，Ansys在2019年推出了基于单个操作流程界面的全新高效网格划分工具Ansys Fluent Meshing，该网格划分工具包含了最新的Mosaic多面体网格且可进行自动网格划分，特别适合于包含复杂冷却流道的气冷燃气涡轮叶片的网格划分和前处理。基于Ansys SCDM几何前处理工具和Ansys Fluent Meshing网格划分工具可完美应对复杂气冷燃气涡轮几何前处理和高质量网格划分的挑战！

1基于Ansys SCDM进行几何前处理

在正式的网格划分之前需要对涡轮叶片进行几何前处理，主要包括以下环节：

• 几何结构修复：SCDM可一键对缺失面、部件干涉等进行修复得到修复后的实体模型，效率远高于传统CAD软件。
• 几何细节简化：在气冷涡轮叶片CFD仿真之前一般会对计算结果影响较小的倒圆、小孔、台阶等结构进行简化，SCDM可对上述细节进行批量选择后一键式进行简化。
• 内冷却流道抽取：气冷涡轮叶片一般包含复杂的内冷却流道，使用SCDM的Extract Volume功能可一键对其进行抽取，并与原固体叶片进行拓扑共享创建流固交界面，精度和效率都远高于使用布尔运算进行前处理的传统CAD软件。

2基于Ansys Fluent Meshing进行网格划分

2019年全新推出的Ansys Fluent具有高效、高质量网格划分能力，非常适合于仿真工程师处理气冷涡轮叶片网格划分问题。

• 基于单一操作树、可定制化、可复用的网格生成操作流程：全新的Fluent Meshing可在单一操作界面操作树中一站式完成几何结构导入、面网格划分、边界条件预定义、计算域识别和抽取、边界层网格设置和体网格划分等操作。

全新Fluent Meshing集成式网格生成操作界面

• 高质量多面体Mosaic网格：全新Fluent Meshing包含Mosaic多面体网格和Poly-Hexacore多面体+六面体网格，多面体网格具有生成效率高、适应性好等优点，特别适合于气冷涡轮叶片这类包含气膜孔、冷却流道等复杂几何结构、小型曲面、几何特征尺寸跨度大的问题。

涡轮前缘气膜孔和尾部扰流柱多面体网格

• 灵活、易用、强大的网格加密和边界层网格生成方法：Fluent Meshing提供多种网格加密方式，包括：局部面网格加密、局部体网格加密、影响体（Body of Influence）加密等多种方法；可对气冷涡轮叶片的各个细节处进行网格加密，其中影响体（BOI）方法可在不对初始几何进行分割的条件下对局部区域进行整体加密，工程师可在原始几何基础上直接添加一个特定形成的几何体用于对该范围内的体网格进行加密。

涡轮叶片前缘添加影响体（BOI）进行局部体网格加密

Fluent Meshing提供多种不同的边界层网格生成方式，可在保证近壁面Y Plus数不变的情况下保证网格的扩张比和质量。

内部冷却孔和叶片表面边界层网格

• 边界条件预定义和计算域自动识别：Fluent Meshing可以根据流体域和固体域名称自动进行识别（也可手动指定），可预先对进口、出口、对称面、周期对称面等进行边界条件类型设置并直接在后续的求解计算中使用。
• 高效并行网格划分方式：Fluent Meshing支持网格并行计算，可极大提升网格效率。用户无需购买额外的HPC即可使用多核并行计算生成Fluent Meshing网格。

并行计算方式对Fluent Meshing网格生成效率的提升

3成功案例：NASA C3X气冷涡轮叶片的多面体网格剖分和流热耦合仿真

某燃气涡轮研究单位使用Ansys Fluent Meshing网格工具和Fluent求解器对NASA的C3X气冷涡轮叶片进行Mosaic多面体网格剖分和流热耦合仿真计算。相比于传统的四面体网格，该方法极大的提升了网格划分效率和网格质量，仿真工程师在极短的时间内即可完成之前使用ICEM CFD需要耗费数天才能完成的网格划分任务。

求解后的计算结果与NASA试验数据进行比对，叶片中截面的叶片表面压力系数曲线与温度曲线和试验结果吻合良好，证明了Ansys Fluent Meshing网格在流热耦合计算中的精度。

NASA C3X气冷涡轮叶片表面压力系数曲线（左）和温度曲线与试验数据的比对

综上所述，基于便捷、高效的几何前处理工具Ansys SCDM和全新包含多面体网格划分功能的集成式网格划分工具Ansys Fluent Meshing，仿真工程师可高效地完成复杂气冷涡轮叶片的几何前处理工作并快速生成高质量网格，大大提升了气冷涡轮流热耦合分析的效率！

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