1、ANSYS 教學(xué)算例集汽輪機(jī)內(nèi)蒸汽平衡態(tài)與非平衡態(tài)分析撰寫：審核：校對：2018 年 09 月 30 日 Copyright目 錄關(guān)鍵字：算例來源：摘要1案例描述1操作步驟21.2.3.3.1.3.2.3.3.3.4.3.5.3.6.3.7.3.8.準(zhǔn)備工作2平衡態(tài)工況網(wǎng)格及邊界條件設(shè)置4平衡態(tài)工況 CFX-Solver 求解設(shè)置14平衡態(tài)工況 CFD-POST 后處理設(shè)置14非平衡態(tài)邊界條件設(shè)置17非平衡態(tài)工況求解設(shè)置21非平衡態(tài)工況 CFX-Solver 求解設(shè)置22平衡態(tài)工況 CFD-POST 后處理設(shè)置224.本章小結(jié)26I1. 摘要透平機(jī)械是將流體的能量（熱能、勢能或動(dòng)能）轉(zhuǎn)化為機(jī)械

2、能的一種動(dòng)力裝置，通過主軸帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或其他從動(dòng)機(jī)。透平機(jī)械有汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、透平膨脹機(jī)、水輪機(jī)和風(fēng)力機(jī)等。本例以一級(jí)軸流透平內(nèi)流為例，用 ANSYS19.0 軟件，對蒸汽輪機(jī)葉片的一級(jí)濕蒸汽流場進(jìn)行平衡態(tài)與非平衡態(tài)兩種狀態(tài)下的材料屬性、邊界條件、求解和后處理的設(shè)置。，2. 案例描述本例以單級(jí)透平機(jī)械內(nèi)流場為例，由兩部分網(wǎng)格組成：靜子葉片流道網(wǎng)格和轉(zhuǎn)子葉片流道網(wǎng)格。靜子葉片整2:1。60 個(gè)，轉(zhuǎn)子葉片整113 個(gè)，級(jí)排比接近于靜子部分流道為 6°單流道，轉(zhuǎn)子部分流道為兩個(gè)葉片通道 6.372°（2*360°/113）葉柵進(jìn)口平均速度約為 100m/s，轉(zhuǎn)子以 52

3、3.6 rad/s 的轉(zhuǎn)速繞 z 軸旋轉(zhuǎn)，靜子則保持不動(dòng)。轉(zhuǎn)子葉頂與機(jī)匣的網(wǎng)格并未考慮在本轉(zhuǎn)子網(wǎng)格中。1邊界條件：總壓 0.265bar，靜壓 0.0662bar，總溫 328.5K計(jì)算域本例中，將創(chuàng)建兩個(gè)穩(wěn)態(tài)計(jì)算：1.采用多組分均勻混合液態(tài)水和水蒸氣項(xiàng)；2.單獨(dú)的液態(tài)水和水蒸氣項(xiàng)用于非平衡。3. 操作步驟3.1.準(zhǔn)備工作3.1.1. 創(chuàng)建工作目錄打開 ANSYS CFX，將網(wǎng)格文件 rotor.grd, stator.gtm 拷貝至英文文件目錄下，更改 Working Directory 路徑至網(wǎng)格文件目錄下。2鼠標(biāo)左鍵單擊 CFX-Pre 19.0，進(jìn)入 CFX-Pre 界面。3.1.2.

4、 新項(xiàng)目創(chuàng)建進(jìn)入 CFX-Pre 界面，鼠標(biāo)左鍵單擊【File】>【New Case】或菜單欄下，新建 case，在彈出的框中選取【Simulation Type】>【Turbomachinery】，點(diǎn)擊【OK】進(jìn)入到 case 設(shè)置界面中。33.1.3. 保存 case 文件選擇【File】>【Save Case As】，在【File name】中寫入 WaterVaporEq，單擊【Save】保存 case 文件。3.2.平衡態(tài)工況網(wǎng)格及邊界條件設(shè)置3.2.1. 依照模板設(shè)置網(wǎng)格及邊界條件3.2.1.1.在【Basic Settings】中參考以下圖片設(shè)置參數(shù)3.2.1.

5、2.點(diǎn)擊【Next】進(jìn)入到【Component Definition】中，右鍵添加網(wǎng)格文件。參考以下圖片內(nèi)設(shè)置選擇目錄下 stator.gtm 文件43.2.1.3. 重復(fù)以上步驟，右鍵添加名為 rotor.grd 的網(wǎng)格文件，選擇網(wǎng)格為 m。設(shè)置轉(zhuǎn)速為 523.6radian s-1展開 Passages and Alignment，選擇【Edit】。按以下圖片設(shè)置參數(shù)。5點(diǎn)擊【Done】，點(diǎn)擊【Next】。3.2.1.4.在【Physics Definition】中按以下操作設(shè)置。3.2.1.5.確認(rèn)參數(shù)設(shè)置正確后，點(diǎn)擊【Next】進(jìn)入到【Interface Definition】中，確認(rèn)

6、交界面設(shè)置。3.2.1.6.確認(rèn)交界面設(shè)置參數(shù)后，點(diǎn)擊【Next】進(jìn)入到【Boundary Definition】中。3.2.1.7.3.2.1.8.確認(rèn)邊界條件設(shè)置參數(shù)后，點(diǎn)擊【Next】進(jìn)入到【Final Operations】中。確認(rèn)【Operation】為【Enter General Mode】，點(diǎn)擊【Finish】。進(jìn)入到 CFX-Pre常規(guī)設(shè)置界面中。63.2.2. 設(shè)置材料屬性在之前的模板定義中，我們制定了流體介質(zhì)為理想水蒸汽。在這里均勻的兩相混合物來替換流體介質(zhì)，以模擬平衡態(tài)的濕蒸汽狀態(tài)。指定通過IAPWS 數(shù)據(jù)庫中水的不同狀態(tài)H2Ol，混合物項(xiàng)命名為 H2Og。定義混合物，水

7、蒸氣項(xiàng)為 H2Og，液態(tài)水為3.2.2.1. 設(shè)置 H2Og 材料屬性1.點(diǎn)擊菜單欄中 Material選項(xiàng)，新建名為 H2Og 的材料數(shù)據(jù)2.在彈出的 Basic Settings 選項(xiàng)欄中設(shè)置【Option】>【Pure Substance】，設(shè)置【MaterialGroup】>【IAPWS IF97】，【Gas】【Thermodynamic State】，選擇【Thermodynamic State】>73.切換到 Material Properties 選項(xiàng)欄中，【Thermodynamic Properties】>【TableGeneration】，【Mini

8、mum Temperature】>【Min. Temperature】>250K，【umTemperature】>【Max. Temperature】>400K，【Minimum Absolute Pressure】>【Min.Absolute Pres.】>0.01bar，【um Absolute Pressure】>【Max. Absolute Pres.】>0.6bar，um Points】>100?！?4.點(diǎn)擊【OK】完成設(shè)置3.2.2.2. 設(shè)置 H2Ol 材料屬性1.在 Outline 中選擇展開 Materials，右鍵單擊

9、H2Og，選擇 Duplicate。將為Copy of H2Og的材料名稱改為H2Ol出的名2.雙擊 H2Ol，進(jìn)入編輯界面，在彈出的 Basic Settings 選項(xiàng)欄中設(shè)置【ThermodynamicState】>【Liquid】3.點(diǎn)擊【OK】確認(rèn)設(shè)置3.2.2.3. 創(chuàng)建混合材料屬性1.創(chuàng)建新材料命名為 H2Olg2.在彈出的 Basic Settings 選項(xiàng)欄中設(shè)置【Option】>【Homogeneous Binary Mixture】，【Material Group】>【IAPWS IF97】，選擇【Material 1】>【H2Og】，【Materi

10、al 2】>【H2Ol】93.切換到 Material Properties 選項(xiàng)欄中，【Thermodynamic Properties】>【TableGeneration】Minimum Temperature】>【Min. Temperature】>273.15K，【umTemperature】>【Max. Temperature】>400K，【Minimum Absolute Pressure】>【Min.Absolute Pres.】>0.01bar，【um Absolute Pressure】>【Max. Absolute Pr

11、es.】>0.6bar，um Points】>100。【104.點(diǎn)擊【OK】確認(rèn)設(shè)置。3.2.3. 修改流域及邊界條件3.2.3.1. 在 Outline 中雙擊 R1，進(jìn)入編輯界面。在 Basic Settings欄下的 Fluid andParticle Definitions中刪除【W(wǎng)ater Ideal Gas】，新建名為【H2Olg】的項(xiàng)，設(shè)置【Material】>【H2Olg】，點(diǎn)擊【Apply】。3.2.3.2. 切換至 Fluid Ms欄下，選擇【Component Ms】>【Component】>【H2Og】>【Option】>【Eq

12、uilibrium Fraction】113.2.3.3.3.2.3.4.3.2.3.5.點(diǎn)擊【OK】確認(rèn)設(shè)置。在 Outline 中雙擊 S1 下的 S1 Inlet 邊界，進(jìn)入編輯界面在 Boundarys欄下設(shè)置【Components】>【H2Og】>【Option】>【Mass Fraction】>1.0，點(diǎn)擊【OK】確定設(shè)置。123.2.4. 初始化設(shè)置3.2.4.1. 菜單欄中單擊【Global Initialization】3.2.4.2. 設(shè)置【Cartesian Velocity Components】>【Automatic with Value

13、】>0m s-1，0m s-1 ， 100m s-1 ；【Static Pressure 】>【Automatic withValue 】>0.2bar ；s】>【H2Og】>【Temperature】>【Automatic with Value】>328.5K；【Automatic with Value】>【Mass Fraction】>1Component133.2.5. 點(diǎn)擊按鈕 Define Run3.2.6. 點(diǎn)擊 Save 保存。保存名稱為 WaterVaporEq.def 的文件。3.3.平衡態(tài)工況 CFX-Solver 求解

14、設(shè)置3.3.1. 選擇 Double Precision(可選)。3.3.2. 選擇【Parallel Environment】>【Run Mode】> 調(diào)整并行核數(shù)(可選)。3.3.3. 在打開的 CFX-Solver 求解器中選擇【Start Run】。3.4.平衡態(tài)工況 CFD-POST 后處理設(shè)置在 CFX-Solver 界面下，單擊選擇 Launch CFD-Post with a results file到 CFD-POST 界面下。進(jìn)入143.4.1. 模板后處理初始化選擇【Turbo】>【Turbo Initialization】>【Initialize

15、 All Components】3.4.2. 葉片展向半高截面顯示3.4.2.1.3.4.2.2.在主菜單下選擇【Insert】>【Location】>【Turbo Surface】在設(shè)置界面中 Geometry欄下選擇【Definition】>【Constant Span】>0.53.4.2.3.3.4.2.4.點(diǎn)擊【Apply】確認(rèn)設(shè)置，并在 Outline 窗口下關(guān)閉 Turbo Surface 1 可視化。新建等值線云圖 Contours，命名為 Static Pressure，在 Geometry欄下設(shè)置【Locations】>【Turbo Surfac

16、e 1】，【Variable】>【Pressure】，點(diǎn)擊【Apply】。153.4.3. 葉片展向半高截面液相體積分?jǐn)?shù)顯示3.4.3.1. 去選 Outline 中 Static Pressure 云圖，關(guān)閉靜壓云圖可視。3.4.3.2. 新建等值線云圖 Contours，命名為 Mass Fraction of Liquid Phase，在 Geometry欄下設(shè)置【Locations】>【Turbo Surface 1】，【Variable】>【H2Ol.Mass Fraction】，點(diǎn)擊【Apply】。3.4.4. 葉片展向半高截面溫度分布顯示3.4.4.1. 去選

17、Outline 中 Mass Fraction of Liquid Phase 云圖，關(guān)閉液相體積分?jǐn)?shù)云圖可視。3.4.4.2. 新建等值線云圖 Contours，命名為 Static Temperature，在 Geometry欄下設(shè)置【Locations】>【Turbo Surface 1】，【Variable】>【Temperature】，點(diǎn)擊【Apply】。16關(guān)閉 POST 界面。3.5.非平衡態(tài)邊界條件設(shè)置在 CFX-Pre 中打開 WaterVaporEq.cfx 文件，在菜單欄中選擇【File】>【SaveCase As】，將文件另存名為 WaterVaonE

18、q.cfx，點(diǎn)擊 Save 保存。3.5.1. 調(diào)整流域設(shè)置3.5.1.1. 在 Outline 中雙擊流域 R1，進(jìn)入編輯界面。在 Basic Settings欄下的 Fluidand Particle Definitions中刪除【H2Olg】，新建名為【H2Og】的項(xiàng)，設(shè)置【Material】>【H2Og】，【Morphology】>【Option】>【Continuous Fluid】。3.5.1.2. 在 Fluid and Particle Definitions中新建名為【H2Ol】的項(xiàng)，設(shè)置【Material】>【H2Ol】，【Morphology】&g

19、t;【Option】>【Droplets(Phase Change)】。173.5.1.3. 切換至 Fluid Ms欄下，【Multiphase】>【Homogeneous M】，】，【Option】>【Fluid Dependent】。去選【Heat Transfer】>【Homogeneous M3.5.1.4. 切換至 Fluid Specific Ms欄下，選擇【Fluid】下【H2Og】，設(shè)置【HeatTransfer M】>【Option】>【Total Energy】；選擇【Fluid】下【H2Ol】，設(shè)置【Heat Transfer M】&

20、gt;【Option】>【SmallDroplet Temperature】，【Nucleation M】>【Option】>【Homogeneous】，勾選【Nucleation Bulk Tension Factor】>【Nucleation Bulk Tension】>1.。183.5.1.5. 切換至 Fluid Pair Ms，設(shè)置【Mass Transfer】>【Option】>【Phase Change】>【Small Droplets】，設(shè)置【Heat Transfer】>【Option】>【Small Droplet

21、s】。193.5.1.6. 點(diǎn)擊【OK】確認(rèn)設(shè)置。3.5.1.7. 在 Outline 中雙擊流域 S1，進(jìn)入編輯界面。參考 R1 流域的設(shè)置，以同樣設(shè)定設(shè)置流域。（在 R1 設(shè)置完成后，S1 流域中大部分的設(shè)置已經(jīng)自動(dòng)調(diào)整為一致，只需調(diào)整 Fluid Specific M【Homogeneous】，Tension】>1.）。s欄下【Nucleation M】>【Option】>【Nucleation Bulk Tension Factor】>【Nucleation Bulk3.5.2. 調(diào)整進(jìn)口邊界條件3.5.2.1. 在 Outline 中雙擊 S1 Inlet，進(jìn)

22、入設(shè)置窗口。在 Fluid Values欄下選擇【 Boundary Conditions 】 > 【 H2Og 】；【 Heat Transfer 】 > 【 Option 】 > 【 TotalTemperature】>328.5K；【Volume Fraction】>【Option】>【Value】，【Volume Fraction】>1；203.5.2.2. 在 Fluid Values欄下選擇【Boundary Conditions】>【H2Ol】；【VolumeFraction】>【Option】>【Value】，【Vol

23、ume Fraction】>0；【Specified Number】>【Droplet Number】>0m-3Droplet Number】>【Option】>3.5.2.3. 點(diǎn)擊【OK】完成設(shè)置。3.6. 非平衡態(tài)工況求解設(shè)置3.6.1. 在 Outline 雙擊【Simulation】>【Solver】>【Solver Control】，設(shè)置【Fluid Timescale Control】>【Physical Timescale】>5e-5s。點(diǎn)擊【OK】確認(rèn)修改。213.6.2. 點(diǎn)擊按鈕 Define Run保存。保存名稱為

24、WaterVaonEq.def 的文件。點(diǎn)擊 Save3.7. 非平衡態(tài)工況 CFX-Solver 求解設(shè)置3.7.1. 選擇 Double Precision(可選)。3.7.2. 選擇【Parallel Environment】>【Run Mode】> 調(diào)整并行核數(shù)(可選)。3.7.3. 在打開的 CFX-Solver 求解器中選擇【Start Run】。3.8. 非平衡態(tài)工況 CFD-POST 后處理設(shè)置在 CFX-Solver 界面下，單擊選擇 Launch CFD-Post with a results file到 CFD-POST 界面下。進(jìn)入223.8.1. 模板后處

25、理初始化選擇【Turbo】>【Turbo Initialization】>【Initialize All Components】3.8.2. 葉片展向半高截面過冷度顯示3.8.2.1.在主菜單下選擇【Insert】>【Location】>【Turbo Surface】3.8.2.2.3.8.2.3.在設(shè)置界面中 Geometry欄下選擇【Definition】>【Constant Span】>0.5點(diǎn)擊【Apply】確認(rèn)設(shè)置，并在 Outline 窗口下關(guān)閉 Turbo Surface 1 可視化。3.8.2.4.新建等值線云圖 Contours，命名為 Degree of Supercooling，在 Geometry欄下設(shè)置【Locations】>【Turbo Surface 1】，【Variable】>【H2Og.Supercooling】，點(diǎn)擊【Apply】。233.8.3. 葉片展向半高截面成核率和液滴數(shù)分布顯示3.8.3.1. 去選 Outline 中 Degree of Supercooling 云圖，關(guān)閉過冷度云圖可視。3.8.3.2. 新建等值線云圖 Contours，命名為 Nucleation Rate，在 Geometry欄下設(shè)置【Locations】>【Turbo Surface 1】，【V