Блог
5 самых эффективных способов построения сетки для камеры сгорания реактивного двигателя
- 24.12.2020
Для численного моделирования газодинамических процессов в камере сгорания реактивного двигателя, как правило, требуется создание достаточно сложных сеточных моделей. Это приводит к значительным затратам вычислительных ресурсов и времени. А из-за необходимости моделировать одновременно как можно больше физических явлений зачастую упрощается геометрия и исключаются такие элементы конструкции, как форсунки, завихрители, диффузоры и отверстия.
Моделирование горения представляет собой достаточно сложную задачу, в решении которой необходимо учитывать турбулентность потока, химический состав веществ, сложный механизм реакций, излучение, дисперсию и множество других явлений. Кроме того, для разрешения мелкомасштабных вихрей требуются очень подробные сетки.
Создание однородной и подробной сетки в зонах камеры сгорания, в которых идут химические реакции – достаточно трудоемкий процесс, если применять традиционные подходы на основе тетраэдральных или полиэдрических элементов без возможности контроля над распределением размеров элементов.
В программном пакете Ansys Fluent реализована специальная запатентованная технология Mosaic mesh, позволяющая решить эту проблему. Она дает возможность создавать однородные высококачественные сетки для моделирования процессов горения в камере сгорания газовой турбины. С использованием сеток, созданных на основе технологии Mosaic, можно получать надежные и достоверные результаты.
Можно выделить пять основных наиболее эффективных этапов построения сетки с помощью Ansys Fluent для камеры сгорания газовой турбины:
- Использование специализированных рабочих процессов (например, Watertight geometry workflow).
- Применение подхода Mosaic poly-hexcore с распараллеливанием.
- Построение призматических пристеночных слоев.
- Применение локальных настроек сетки.
- Достижение заданных характеристик качества сетки.
Рабочий процесс Watertight Geometry Workflow
Рабочий процесс Watertight geometry workflow ускоряет процесс построения сетки, в том числе, за счет настройки в специальном дружественном сценарно-диалоговом интерфейсе. С одной стороны, он содержит структурированный набор типичных шаблонов, а с другой, является достаточно гибким для адаптации под конкретную задачу.
Настройки по умолчанию обеспечивают построение высококачественной сетки практически для любой задачи, однако опытные пользователи могут изменять их, чтобы получить больше опций. Кроме того, можно автоматизировать процесс построения сетки, используя файл с журналом, написанном на языке типа Python.
Применение такого подхода позволяет строить высококачественные сетки в автоматизированном, робастном режиме для большинства задач моделирования процессов в камере сгорания газотурбинного двигателя.
Применение подхода Mosaic poly-hexcore
Применение технологии Mosaic позволяет сократить время, необходимое для построения сетки. Она дает возможность использовать полиэдрические элементы для соединения сеток различных типов. Этот подход был впервые реализован на сетках типа Mosaic poly-hexcore, которые представляют собой сочетание гексаэдрических элементов, изотропных полиэдрических призм и мозаичных полиэдричеких элементов.
Преимущества гекса-элементов с точки зрения точности моделирования по сравнению с другими типами сеток подтверждено многими экспериментами. При этом количество ячеек гекса-сетки меньше, чем количество ячеек тетра-сетки при прочих равных условиях, что обеспечивает более быстрые вычисления с меньшими затратами памяти.
Распараллеливание ускоряет процесс создания объемной сетки: при использовании 256 ядер за одну минуту может быть построено более 10 млн ячеек.
Построение призматических пристеночных слоев
Для более достоверного прогнозирования процессов смешения и формы пламени внутри камеры сгорания при расчете в Ansys Fluent может быть использована LES-модель турбулентности. Однако корректное моделирование пристеночных течений с использованием модели LES требует наличия детального сеточного разрешения, часто недоступного из-за ограниченности вычислительных ресурсов. Для таких случаев в Ansys Fluent предусмотрена гибридная модель турбулентности SBES, которая позволяет применять RANS-подход вблизи стенок и LES-подход в ядре потока. При использовании SBES-модели рекомендуется строить по меньшей мере 3 призматических слоя вблизи твердой стенки.
Применение локальных настроек
В силу конструктивных различий элементов камеры сгорания рекомендуется использовать следующие локальные настройки:
- Завихритель и форсунка. Для корректного моделирования течения топливно-воздушной смеси, а также прогнозирования воспламенения и излучения использовать 35-45 ячеек на диаметр завихрителя.
- Зона горения. Использовать настройку типа BOI («тело влияния») для создания высококачественной однородной сетки. Этот подход должен обеспечить гладкое изменение размеров элементов сетки при переходе от границ к ядру потока и способствовать более достоверному прогнозированию характеристик смеси, формы пламени и тепловых потоков.
- Отверстия охлаждения. Рекомендуется использовать 30-40 ячеек на диаметр отверстия.
- Вторичная область. Разрешение сетки во вторичной области, где моделируется диссипация химических и турбулентных процессов, может быть более грубым по сравнению с основным пространством. Однако и здесь рекомендуется иметь достаточно подробную сетку вблизи стенок, чтобы достоверно моделировать процессы теплообмена.
Достижение заданных характеристик качества сетки
Точность и надежность результатов численного моделирования во многом определяется качеством сетки, которое оценивается по различным количественным критериям.
Ортогональность элементов сетки (Cell orthogonal quality) определяется с помощью трех наборов векторов: от центра ячейки к центру каждой из граней (A1), от центра ячейки к центру соседней ячейки (C1) и нормалей к каждой из граней. Определяются косинусы между векторами A1 и нормалями и между C1 и нормалями. Наименьшее значение косинуса определяет «ортогональность» ячейки. Рекомендуется строить сетку со значением Cell orthogonal quality более чем 0.1 единиц.
Показатель Aspect ratio определяет вытянутость ячейки, которая зависит от соотношения сторон грани. Для области течения, где наблюдаются высокие значения градиентов физических величин, желательно строить сетку таким образом, чтобы избегать высоких значений показателя Aspect ratio. Не рекомендуется использовать сетки со значением Aspect ratio 100 и более единиц.
Вы можете освоить наиболее эффективные методы построения сетки для моделирования гидрогазодинамических процессов в камере сгорания и других изделиях, заказав онлайн курсы из категории «Подготовка моделей» по ссылке https://elearning.digitaltwin.ru/service-on-demand/online-module/. Или напишите нам через форму обратной связи и мы подберем для Вас оптимальный инструмент препроцессинга расчетной модели и научим им правильно пользоваться!
Оригинал статьи: https://www.ansys.com/blog/5-best-practices-gas-turbine-combustor-meshing.