基于NUMECA/FineTurbo二次開(kāi)發(fā)的離心葉輪流場(chǎng)自動(dòng)分析

張鵬剛 高玉林 王金生

（1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司；2.陜西未來(lái)能源化工有限公司）

基于NUMECA/FineTurbo二次開(kāi)發(fā)的離心葉輪流場(chǎng)自動(dòng)分析

張鵬剛1高玉林2王金生1

（1.沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司；2.陜西未來(lái)能源化工有限公司）

針對(duì)離心葉輪流場(chǎng)CFD計(jì)算分析，在研究NUMECA二次開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了CIC計(jì)算程序。能夠自動(dòng)調(diào)用AutoGrid生成計(jì)算網(wǎng)格、計(jì)算配置文件；能自動(dòng)生成后處理命令文件，并調(diào)用CFview進(jìn)行后處理。CIC能夠自動(dòng)完成離心葉輪流場(chǎng)的CFD計(jì)算，并生成圖文并茂的計(jì)算報(bào)告。用于離心壓縮機(jī)模型級(jí)葉輪開(kāi)發(fā)優(yōu)化中，顯著提高了開(kāi)發(fā)效率。

離心壓縮機(jī)；二次開(kāi)發(fā)；CFD分析；NUMECA；葉輪

0 引言

離心式壓縮機(jī)主要用來(lái)輸送氣體并提高氣體的壓力，廣泛用于石油、化工、制冷、動(dòng)力、冶金等行業(yè)。被壓縮氣體的全部能量均是由葉輪傳遞而來(lái)，葉輪性能的優(yōu)劣決定了壓縮機(jī)的性能水平[1]。

CFD已成為與理論分析、實(shí)驗(yàn)研究并列的三種研究方法之一，并相互促進(jìn)[2-3]。CFD因其迅速、廉價(jià)、越來(lái)越高的準(zhǔn)確性，可在廣泛的參數(shù)范圍內(nèi)對(duì)性能和流場(chǎng)細(xì)節(jié)進(jìn)行定量研究，在葉輪機(jī)械領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-5]。

目前葉輪的典型開(kāi)發(fā)流程為：根據(jù)一維熱力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行三維造型設(shè)計(jì)，然后對(duì)葉輪流場(chǎng)進(jìn)行CFD分析，根據(jù)流場(chǎng)分析結(jié)果對(duì)方案優(yōu)化改進(jìn)[6-7]。如果流場(chǎng)分析結(jié)果達(dá)到預(yù)期要求，則進(jìn)入零件加工和試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)節(jié)。其中，三維造型和CFD分析是一個(gè)反復(fù)的過(guò)程，需對(duì)大量方案進(jìn)行計(jì)算。每次CFD計(jì)算需要生成網(wǎng)格、計(jì)算設(shè)置、后處理等步驟，花費(fèi)大量時(shí)間和人力。本文在研究NUMECA二次開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)葉輪三維造型和CFD無(wú)縫結(jié)合，顯著地減少了重復(fù)性勞動(dòng)，提高了工作效率，減少開(kāi)發(fā)周期。在已公開(kāi)發(fā)表的文獻(xiàn)中，沒(méi)有找到NUMECA軟件二次開(kāi)發(fā)方面的研究。

1 流場(chǎng)分析過(guò)程

NUMECA是葉輪機(jī)械領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)CFD軟件。它求解基于密度的可壓縮三維雷諾平均NS方程[8]，支持多重網(wǎng)格迭代加速，廣泛用于軸流/離心壓縮機(jī)的數(shù)值模擬。AutoGrid模塊是NUMECA的網(wǎng)格生成器，可以生成葉輪機(jī)械高質(zhì)量計(jì)算網(wǎng)格；Fine/Turbo模塊用來(lái)對(duì)計(jì)算的邊界條件、初始條件、湍流模塊等進(jìn)行設(shè)置；CFview是后處理模塊，能夠生成流場(chǎng)矢量圖、標(biāo)量云圖和等值線等。

圖1 流程圖Fig.1 The process of flow field analysis

在CFD計(jì)算中，通常使用者通過(guò)圖形用戶界面來(lái)完成操作。如果要實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)的自動(dòng)分析功能，需要編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)NUMECA軟件各模塊的自動(dòng)調(diào)用。

本文開(kāi)發(fā)的程序CIC，采用VC++進(jìn)行開(kāi)發(fā)。采用面向?qū)ο蠓椒?，根?jù)需要設(shè)計(jì)各種基類(lèi)和派生類(lèi)，將各個(gè)功能模塊合理封裝，并通過(guò)派生類(lèi)實(shí)現(xiàn)新功能模塊的有機(jī)集成。

2 流場(chǎng)自動(dòng)分析的實(shí)現(xiàn)

2.1 后臺(tái)調(diào)用NUMECA

Windows API是Windows操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口，包括幾千個(gè)可調(diào)用的函數(shù)[9]。實(shí)現(xiàn)一個(gè)程序啟動(dòng)另一個(gè)程序，一般有4個(gè)API接口函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)：

1）system函數(shù)。它的優(yōu)點(diǎn)是參數(shù)少，使用簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是直到啟動(dòng)的程序執(zhí)行完畢才返回主程序；

2）WinExec函數(shù)。優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)一個(gè)新進(jìn)程并立即返回，可以控制窗體顯示或不顯示；缺點(diǎn)是啟動(dòng)的程序與本進(jìn)程脫離，無(wú)法進(jìn)行控制，無(wú)法得知啟動(dòng)的程序是否退出；

3）ShellExecute函數(shù)。它執(zhí)行系統(tǒng)的Shell命令，功能比前兩者更加強(qiáng)大，能返回一個(gè)HINSTANCE類(lèi)型值，能做一些錯(cuò)誤檢查；

4）CreateProcess函數(shù)。優(yōu)點(diǎn)是功能十分強(qiáng)大，可以完全控制程序的啟動(dòng)、停止等；能夠得到進(jìn)程句柄、線程句柄、進(jìn)程ID、線程ID等信息。但該函數(shù)的參數(shù)較多，而且參數(shù)類(lèi)型比較復(fù)雜。

前兩種方法使用簡(jiǎn)單，但對(duì)啟動(dòng)程序的控制太少，不符合本文要求。本文開(kāi)發(fā)的CIC程序調(diào)用AutoGrid生成計(jì)算網(wǎng)格，采用ShellExecute可很好地滿足需要。程序后臺(tái)調(diào)用NUMECA求解器進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算時(shí)，需要對(duì)求解器的啟動(dòng)、停止等進(jìn)行控制，采用第四種方法CreateProcess來(lái)實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)本工程的地質(zhì)特征和地下壁板樁的成槽要求，選用一臺(tái)中聯(lián)ZDG360液壓抓斗機(jī)作為本工程的成槽設(shè)備，最大成槽寬度1.2 m。選用100 t吊機(jī)和200 t吊機(jī)各一臺(tái)，其中200 t吊機(jī)作為起吊鋼筋籠的主機(jī)，100 t吊機(jī)作為起吊鋼筋籠的副機(jī)，詳見(jiàn)表1。

2.2 網(wǎng)格的自動(dòng)生成

AutoGrid劃分網(wǎng)格時(shí)，輸入必須包括幾何數(shù)據(jù)文件和模板文件[10]。將葉輪三維幾何數(shù)據(jù)導(dǎo)入，通過(guò)轉(zhuǎn)換模塊自動(dòng)生成AutoGrid識(shí)別的.geomturbo格式文件；并將網(wǎng)格數(shù)目、網(wǎng)格拓?fù)?、壁面距離信息存儲(chǔ)在模板文件中。CIC從后臺(tái)調(diào)用AutoGrid，并將幾何數(shù)據(jù)和模板文件作為參數(shù)傳遞給AutoGrid，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成葉輪網(wǎng)格。

CIC程序內(nèi)部包含有葉輪網(wǎng)格模板數(shù)據(jù)庫(kù)。導(dǎo)入幾何數(shù)據(jù)后，CIC先對(duì)幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選擇合適的模板并生成計(jì)算網(wǎng)格。對(duì)于全長(zhǎng)葉片、閉式葉輪單通道計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為60萬(wàn)左右。調(diào)用AutoGrid生成計(jì)算網(wǎng)格的代碼如下：

2.3 計(jì)算設(shè)置及啟動(dòng)求解器

Fine/Turbo將邊界條件等計(jì)算設(shè)置信息保存在.iec文件中，在開(kāi)始計(jì)算時(shí)生成.run文件，根據(jù).run文件中的設(shè)置來(lái)控制計(jì)算。CIC程序能正確生成計(jì)算的.run文件，是葉輪流場(chǎng)自動(dòng)分析必不可少的。NUMECA軟件說(shuō)明書(shū)中并沒(méi)有.run文件格式的說(shuō)明。本文采用將已知設(shè)置的.run文件作為母版，通過(guò)開(kāi)發(fā)的文件解析模塊將邊界條件替換為目標(biāo)值的方法。經(jīng)測(cè)試該方法能正確生成.run文件。生成計(jì)算控制文件后，就可以在后臺(tái)調(diào)用求解器進(jìn)行計(jì)算了。啟動(dòng)求解器的核心代碼如下：

2.4 計(jì)算結(jié)果后處理

用手動(dòng)方式對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，通常需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。后處理過(guò)程的自動(dòng)化，是通過(guò)CFview強(qiáng)大的腳本命令文件實(shí)現(xiàn)的。在生成腳本文件時(shí)，有些數(shù)值是程序計(jì)算得到的。后臺(tái)調(diào)用CFview進(jìn)行自動(dòng)后處理，將.py腳本文件作為CFview的參數(shù)，CFview執(zhí)行所生成的.py腳本命令文件，并把生成的圖片和性能數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。下面列出了CIC程序生成的后處理.py文件的一部分。它的功能是打開(kāi)計(jì)算結(jié)果文件，生成葉片通道在0.5倍葉高的速度矢量圖，在圖上標(biāo)注“50% span”信息，并將圖片存到D:/CAL_WORK/computation_1目錄下，文件名為S0.5_Wxyz.jpg。

生成內(nèi)容豐富的計(jì)算報(bào)告，便于對(duì)葉輪設(shè)計(jì)方案進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。葉輪流場(chǎng)的CFD分析報(bào)告的格式相對(duì)固定。本文采用VC++利用Word模板技術(shù)自動(dòng)生成報(bào)告，主要包括葉輪總體性能參數(shù)和關(guān)鍵截面流場(chǎng)云圖、矢量圖?；静襟E如下：

1）在程序中引入Word平臺(tái)類(lèi)庫(kù)，定義相關(guān)變量；

2）程序創(chuàng)建Word服務(wù)；

3）程序打開(kāi)Word模板文件；

4）自動(dòng)查找模板中預(yù)定義書(shū)簽，插入相應(yīng)數(shù)據(jù)和圖片。

3 計(jì)算算例

軟件主要有3個(gè)界面：幾何和邊界、流場(chǎng)計(jì)算和結(jié)果后處理界面。幾何和邊界界面可導(dǎo)入準(zhǔn)三元設(shè)計(jì)軟件生成的幾何文件,如果導(dǎo)入的葉片前緣是鈍頭，還可生成葉片前緣導(dǎo)圓角數(shù)據(jù)。能自動(dòng)識(shí)別出葉輪直徑和葉片數(shù)；設(shè)置計(jì)算邊界條件并選擇介質(zhì)；可顯示葉輪子午流道和軸向視圖。

在流場(chǎng)計(jì)算界面，主要是生成計(jì)算網(wǎng)格、對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)菜單，也可以控制求解器啟動(dòng)和停止。能顯示生成網(wǎng)格的質(zhì)量，葉輪詳細(xì)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)迭代過(guò)程在界面上顯示等。程序內(nèi)部具有一個(gè)網(wǎng)格模板庫(kù)，生成的網(wǎng)格質(zhì)量一般都很好，足以滿足計(jì)算需要。在對(duì)眾多算例的測(cè)試中，未發(fā)生過(guò)網(wǎng)格不符合要求的情況。

計(jì)算結(jié)果可自動(dòng)進(jìn)行后處理，葉輪的效率、壓比、能頭系數(shù)等參數(shù)在總體性能表格中列出，子午面流場(chǎng)、葉輪出口流場(chǎng)、葉高10%截面、50%截面、90%截面的流場(chǎng)和載荷分布以圖片形式顯示?？蓪⒔Y(jié)果保存為一個(gè)Word格式的計(jì)算報(bào)告。

以某閉式離心葉輪為例，直徑D2=450mm，葉輪轉(zhuǎn)速13850r/min，進(jìn)口壓力ptin=98100Pa，進(jìn)口總溫Ttin=293K。在幾何和邊界中，通過(guò)導(dǎo)入按鈕導(dǎo)入幾何數(shù)據(jù)，輸入邊界條件等信息，點(diǎn)確定按鈕使設(shè)置生效（見(jiàn)圖2）。切換到流場(chǎng)計(jì)算界面，點(diǎn)擊網(wǎng)格生成，當(dāng)程序提示網(wǎng)格生成后，可以查看網(wǎng)格質(zhì)量。點(diǎn)擊CFD計(jì)算按鈕，開(kāi)始流場(chǎng)CFD計(jì)算（見(jiàn)圖3）。通過(guò)收斂曲線按鈕，可以實(shí)時(shí)查看計(jì)算收斂情況。計(jì)算結(jié)束后，點(diǎn)擊計(jì)算結(jié)果后處理按鈕，可自動(dòng)完成葉輪流場(chǎng)的后處理（見(jiàn)圖4）。

圖2 幾何和邊界設(shè)置圖Fig.2 Geometry and boundary setting

圖3 流場(chǎng)計(jì)算圖Fig.3 Flow-field calculation

圖4 計(jì)算結(jié)果后處理圖Fig.4 Calculation results post-processing

4 結(jié)論

1）針對(duì)離心壓縮機(jī)葉輪流場(chǎng)的CFD計(jì)算分析，研究了NUMECA軟件二次開(kāi)發(fā)。采用VC++面向?qū)ο蠓椒ň帉?xiě)了CIC程序，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)調(diào)用NUMECA各個(gè)模塊；2）研究了CFview的后處理腳本命令，通過(guò)編程生成. py后處理命令文件并作為CFview的參數(shù)文件，能夠自動(dòng)生成葉輪流場(chǎng)的速度矢量、壓力分布、馬赫數(shù)分布等云圖；3）開(kāi)發(fā)的CIC程序能自動(dòng)完成葉輪流場(chǎng)計(jì)算分析，顯著地提高了工作效率。應(yīng)用表明，程序運(yùn)行穩(wěn)定，是離心葉輪開(kāi)發(fā)的有力工具。

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Automatic Analysis of Centrifugal Impeller Flow Fields Based on NUMECA/FineTurbo Secondary Development

Peng-gang Zhang1Yu-lin Gao2Jin-sheng Wang1
（1.Shenyang Blower Works Group Corporation；2.Shaanxi Future Energy and Chemicals Co.，Ltd）

For the CFD analysis of the flow field in centrifugal impellers,the program CIC based on NUMECA FineTurbo has been developed.The CIC program can automatically call AutoGrid to generate an impeller grid and the configuration files for the simulation.It also can create a file including command lines used by the program CFview to do the post-processing. The CIC program can be used to do the CFD prediction and analysis of centrifugal compressor impellers,and automatically create a report with flow-field visualizations.The CIC program can improve the efficiency significantly in the design and optimization process of centrifugal compressor impellers.

centrifugal compressor，secondary developed，CFD analysis，NUMECA，impeller

TH452；TK05

1006-8155（2017）02-0009-05

A

10.16492/j.fjjs.2017.02.0002

2016-12-03 遼寧 沈陽(yáng) 110869