ANSA涡轮机械六面体网格划分自动化工具：Blade工具

简介

本文将介绍ANSA Turbo模块下的Blade功能。作为专为涡轮机械叶片开发的结构化网格划分自动化工具，Blade工具适用于轴流式叶片的六面体网格划分。这一工具能够根据叶片的三维形态自动识别流道区域并划分Hexa Block盒子，从而快速生成六面体网格。用户仅需预先定义好Property，并输入合适的网格参数，工具将自动完成整个流程，提高工程师建模的效率，也确保了涡轮机械仿真中对网格一致性、可控性与精度的严格要求。  

前期准备

在使用Blade功能前，为方便工具中的自动化模板进行各区域的正确识别，需要预先为叶片的几何模型划分Property。

以下图 1的叶片为例，需要划分出Blade, Hub, Shroud, Inlet和Outlet五个Property。这一操作可以借助Geometry菜单下的Set PID功能完成。

图1 为轴流式叶片划分PID

此外，需指定前缘和后缘的特征线，并分别保存在Set中。将Set命名为LE (Leading Edge)和TE (Trailing Edge)以做区分，如图 2所示。

图2 为轴流式叶片指定前缘/后缘

一、定义叶片级参数

完成PID分配及前缘线、后缘线的定义后，即可使用Blade功能为叶片构建结构化六面体网格。

Blade功能位于Hexa Block菜单下的Turbo模块中，以CFD布局打开ANSA时，Hexa Block菜单将默认位于页面上方的菜单栏中。

图3 Blade功能位置

Blade的功能窗口如图 4。第一步需要指定叶片级参数，即周期性流道的数量、旋转轴和计算域。

图4 Blade: Stage Definition

对于本例而言，在Number of passages处输入76，即周期性通道数为76个。

在Rotation axis and origin中，选择全局坐标轴的原点为旋转轴原点，Z轴为轴向。除了直接输入数值外，也可以通过在ANSA图形区中点击两个点定义矢量的方式来定义旋转轴。

Domains分类中，如果包含Inflow，Outflow或Open的区域可以相应勾选，并在前一步中为这些区域划分PID，本例中保持默认不勾选。

窗口左下角还有一个文件夹和保存的图标，代表此功能中用到的参数可以保存为模板并在后续应用中使用。

二、定义叶片表面边界

第二步是定义叶片表面边界。

Tip指定叶片在Hub或Shroud侧的尖端，这里选择No tip。

Leading edge/Trailing edge用于指定前缘/后缘的形状，可以选择Rounded或Blunt，本例模型为Rounded。

Fillet指叶片和Hub/Shroud连接位置是否存在圆角，此处选择No fillet。

Periodic sides用于定义周期性边界，如果选择Calculated则会根据当前的参数设置计算周期性边界，此外也可以选择Specific并指定相应的表面为周期性边界。

在Property命名恰当的情况下，窗口下方的Surface和Property栏将会自动匹配，如图 5所示，否则需要手动选择。在LE Set和TE Set中指定前缘线和后缘线所在的Set，在命名恰当时同样会自动匹配。

图5 Blade: Surface Definition

三、指定网格参数

第三步为指定网格参数，分为对网格尺寸的定义，及对叶片/流道顶端/流道底端的细化设置，也相当于边界层的设置。

对于网格尺寸，有三种定义方式：Automatic, Number per direction和Advanced。

在Automatic模式下，仅需指定总单元数和增长率，ANSA将会自动计算网格尺寸。

图6 Mesh Size: Automatic

Number per direction模式可以指定三个维度的网格层数（Inlet to outlet，Hub to shroud，Blade to blade）及增长率。

图7 Mesh Size: Number per direction

Advanced模式下，需要指定最大和最小的网格尺寸、增长率以及畸变角度。

图8 Mesh Size: Advanced

对于叶片/流道顶端/流道底端的细化设置，一般来说仅需要指定第一层高度和增长率。但对于Blade refinement而言，当Mesh size设置为Automatic或Number per direction时还可指定更多网格细化的方式，包括Automatic，Distance和Number of steps。

选择Automatic时 ANSA会自动计算，除第一层高度和增长率外无需额外定义。

选择Distance时需要额外指定偏移距离。

图9 Blade Refinement: Distance

选择Number of steps则需额外指定偏移方向上的层数。

图10 Blade Refinement: Number of steps

在本例中，我们采用如图 11所示的网格参数设置。

图11 Blade: Mesh Parameters

四、指定网格生成相关参数

第四步需要指定网格生成相关的参数。

生成网格后体网格将自动保存在fluid类型的property中，因此需要在Fluid property name指定该property名称，此处保持默认为Fluid。

用户可以在Number of passages to mesh中指定将划分网格的通道数目，本例中设置为1。

Generate shell mesh和Generate volume mesh代表是否生成面网格和体网格，如果均不勾选，将只划分盒子而不生成网格，此处保持勾选。

Calculate on multiple sections主要针对高度弯曲的叶片，当需要计算截面上的网格时需要勾选此选项，此处不勾选。

图12 Blade: Mesh Generation

五、确认网格生成效果

最后一步是对网格生成效果的预览，点击Finish将确认生成网格，如果对生成效果不满意，也可点击Back回到前序步骤重新配置参数。

图13 Blade: Confirm the created topology

本例中生成的网格效果如下（为了方便查看已关闭几何面显示），从图 14、图 15中可以看到Blade功能根据叶片的几何形状自动划分了盒子，并生成了高质量的六面体网格，在叶片、流道顶部和底部的壁面附近也生成了边界层。

图14 Blade生成的网格效果

图15 叶片附近的网格

总结

以上介绍了 ANSA 中专用于涡轮机械叶片结构化六面体网格划分的自动化工具——Blade功能，详细介绍了该功能的适用范围、功能窗口及相应得参数设置，并展示了生成的网格效果。借助该工具，用户能够在高度自动化的流程中为叶轮机械仿真获得质量稳定、拓扑清晰的六面体网格，大幅提升前处理效率。

END

作者 | 李梓月

Cadence CAE 工程师

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