2023年SU2会议中的涡轮仿真教程 - part1:配置文件

2023年SU2会议中的涡轮仿真教程

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教程的目的

• 帮助初学者学习SU2
• 提供一个轴流式涡轮计算的参考测试案例

学习目标

• 学习稳态(RANS)涡轮计算时相关配置选项
• 模拟计算和后处理

需要具备的知识

• 熟悉基本的CFD概念，比如：CFL number, numerics , schemes …

• Linux终端的基本知识

• 在你的电脑上已安装SU2 v.8.0 new_turbo_outputs 和 Tecplot(后处理使用)

  注：

  1. 安装教程

  2. 由于我下载的SU2是master分支版本，配置文件中不存在TURBO_PERF_KIND这个选项，但new_turbo_outputs分支中的配置文件有这个选项，目前来看TURBO_PERF_KIND对结果影响并不大，如果下载的是其他分支，注释掉这个选项就可以运行了。

     

测试对象

Aachen turbine

• 叶片数量：36个定子，41个转子，36个定子
• 转子以3500RMP的转速旋转
• 膨胀比：≈1.4
• 质量流量：≈7kg/s

参考：

Stephan, B., et al, https://doi.org/10.1115/2000-GT-0613
Gallus, H.E… et al https://doi.org/10.1115/1.2836568

相关文件说明

1. aachen_turbine_3D_41blade.su2 --> 3D Aachen turbine (stator1 + rotor + stator2) all adjusted to 41 blade per row
2. aachen_3D_MP.cfg --> SU2 configuration file for a mixplane calculation at design point (low mass flow rate case)
3. stator1.cfg --> sub-configuration file with first stator settings
4. rotor.cfg --> sub-configuration file with rotor settings
5. stator2.cfg --> sub-configuration file with second stator settings
6. 1st_order_sol folder --> 1st order solution files (flow and surface_flow)
7. R_Theta_MachRel.eqn --> set of tecplot equation for the post-processing

文件点击下载

网格

Aachen turbine:

• 大约800000单元（240+360+220）
• 边界层细化
• 没有尖端间隙
• 不是为了实验验证
  
  

使用TurboGrid完成的，是结构化网格

SU2网格中边界定义

• .su2扩展名
• 可读的ASCII格式
• Marker_tag(Mesh boundaries)

边界条件（BC）

非特异性边界条件（Non-specific BCs）

• 绝热无滑移边界条件（Adiabatic No-slip BC）:

  MARKER_HEATFLUX= (MARKER_TAG,Value)
  eg:
  MARKER_HEATFLUX= (BLADE1, 0.0, HUB1, 0.0, SHROUD1, 0.0)
  

  注：Value 是flux value，设置为0.0

• 周期性边界条件（Periodic BC）:

  MARKER_PERIODIC= (periodic marker,donor marker,
  rot_cen_x,rot_cen_y,rot_cen_z, rot_angle_x-axis,rot_angle_y-axis,rot_angle_z-axis, translation_x, translation_y, translation_z)
  eg:
  MARKER_PERIODIC= (PER1_STATOR1,PER2_STATOR1,0.0,0.0,0.0,0.0,0.0,8.7804878,0.0,0.0,0.0)
  

  注：这是绕Z轴旋转的周期性边界条件，没有平移，rot_angle_z-axis=8.7804878表示紫色区域以（0，0，0）为中心点，绕Z轴旋转8.7804878获得棕色区域，就是说第一个周期旋转这个角度获得第二个周期。

  

非反射边界条件（Non-reflective BCs）

• MARKER_GILES

  • inlet: marker, TOTAL_CONDITIONS_PT， Total Press.，Total Temp.，Flow dir-norm, Flow dir-tang, Flow dir-span，under-relax-avg，under-relax-fourier

  • outlet: marker， STATIC_PRESSURE_1D，Static Pres.，-， -， -，-，under-relax-avg，under-relax-fourier)

  eg:
  MARKER_GLE5=(INFLOW_STATOR1,TOTAL_CONDITIONS_PT,153846.05,308.26,1.0,0.0,0.0,0.3,0.0,OUTFLOW_STATOR2,STATIC_PRESSURE_1D,110050.96,0.0,0.0,0.0,0.0,1.0,0.0)
  SPATIAL_FOURIER= YES
  GILES_EXTRA_RELAXFACTOR= (0.05, 0.05)
  

  • Mixing-plane: marker，MIXING_IN or MIXING_OUT，-，-，-，-，-，-，under-relax-avg，under-relax-fourier

    eg：
    % 一个混合面：
    MARKER_GILES= (INFLOW_STATOR1, TOTAL_CONDITIONS_PT, 158245.38, 308.26, 1.0, 0.0, 0.0, 0.3, 0.0, OUTFLOW_STATOR1, MIXING_OUT, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.3, 0.0, INFLOW_ROTOR, MIXING_IN, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.3, 0.0, OUTFLOW_STATOR2, STATIC_PRESSURE_1D, 110050.96, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0 , 1.0, 0.0)
    
    % 两个混合平面
    MARKER_GILES= (INFLOW_STATOR1, TOTAL_CONDITIONS_PT, 158245.38, 308.26, 1.0, 0.0, 0.0, 0.3, 0.0, OUTFLOW_STATOR1, MIXING_OUT, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.3, 0.0, INFLOW_ROTOR, MIXING_IN, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.3, 0.0, OUTFLOW_ROTOR, MIXING_OUT, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.3, 0.0, INFLOW_STATOR2, MIXING_IN, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0, 0.3, 0.0, OUTFLOW_STATOR2, STATIC_PRESSURE_1D, 110050.96, 0.0, 0.0, 0.0, 0.0 , 1.0, 0.0)
    
    % 必须指定混合平面接口标记，以激活区域之间的信息传递
    % 一个混合面：
    MARKER_ZONE_INTERFACE= (OUTFLOW_STATOR1, INFLOW_ROTOR) 
    
    % 两个混合平面
    MARKER_ZONE_INTERFACE= (OUTFLOW_STATOR1, INFLOW_ROTOR, OUTFLOW_ROTOR, INFLOW_STATOR2) 
    

注：

1. 入口条件：总压，总温，流的方向：与边界垂直方向；与边界相切方向；从hub到shroud方向

2. 出口条件：静压

3. 想要边界条件在计算时真的是非反射边界条件，需要激活SPATIAL_FOURIER

4. GILES_EXTRA_RELAXFACTOR：Giles边界条件在hub和shroud上的额外的松弛因子

5. 在MARKER_GILES中使用混合平面时必须指定MARKER_ZONE_INTERFACE

Shroud BC

当我们进行稳态计算时，必须指定转子的转速，但实际上，Shroud是涡轮最大半径的表面，也就是涡轮外壳，它是不动的，也意味着Shroud不跟随转子一起旋转，可以使用下面的方式定义Shroud

MARKER_SHROUD= (marker_tag1, marker_tag2, ...)

eg:
MARKER_SHROUD= (SHROUD1, SHROUD2, SHROUD3)

注：

1. 只适用于旋转域

2. 如果ROTATING_FRAME选项被激活，该选项强制将边界上的速度设置为0，即GRID_VELOCITY = 0

Turbo Performance BCs

MARKER_TURBOMACHINERY=(zone_inflow,zone_outflow)

eg:
% 1对标记
MARKER_TURBOMACHINERY= (INFLOW_STATOR1, OUTFLOW_STATOR1)

% 3对标记
MARKER_TURBOMACHINERY= (INFLOW_STATOR1, OUTFLOW_STATOR1, INFLOW_ROTOR, OUTFLOW_ROTOR, INFLOW_STATOR2, OUTFLOW_STATOR2)

注：

必须为每个叶片(区域)指定流入和流出标记，遵循机器的自然生长(即从第一个叶片到最后一个叶片)。

TURBOMACHINERY_KIND=layout_1, layout_2, ... ,as many as the number of zones

eg:
TURBOMACHINERY_KIND= AXIAL AXIAL AXIAL

注：

1. 指定涡轮机的类型：AXIAL, CENTRIPETAL, CENTRIFUGAL, CENTRIPETAL_AXIAL
2. 对应MARKER_TURBOMACHINERY中的三个区域，即3对流入和流出标记

% 指定用于性能分析的机器结构(涡轮机，压缩机，螺旋桨)
TURBO_PERF_KIND = TURBINE TURBINE

注：由于我下载的SU2是master分支的版本，配置文件中不存在TURBO_PERF_KIND这个选项，但SU2 v.8.0 new_turbo_outputs分支中的配置文件有这个选项。

Rotating Frame

在rotor的子配置文件中，为使rotor转动，需要设置GRID_MOVEMENT为ROTATING_FRAME，另外还要设置原点和旋转轴，即MOTION_ORIGIN= 0.0 0.0 0.0和ROTATION_RATE= 0.0 0.0 -366.52

% 动态网格类型 (NONE, ROTATING_FRAME)
GRID_MOVEMENT= ROTATING_FRAME

% 运动马赫数(无量纲)。用于初始化粘性流的雷诺数和计算力系数。使用动态网格
MACH_MOTION= 0.35

% 原点
MOTION_ORIGIN= 0.0 0.0 0.0

% 关于运动原点的角速度矢量(rad/s) eg: 1250 RPM -> 130.89969389957471 rad/s   转子转速是：3500RPM
ROTATION_RATE= 0.0 0.0 -366.52

% 指定旋转框架的斜坡选项(YES, NO)默认为NO
RAMP_ROTATING_FRAME= NO

% 旋转框架坡道参数(启动转速、更新-迭代-频率、坡道迭代总次数)
RAMP_ROTATING_FRAME_COEFF= (0.0, 39.0, 500)

g: 1250 RPM -> 130.89969389957471 rad/s   转子转速是：3500RPM
ROTATION_RATE= 0.0 0.0 -366.52

% 指定旋转框架的斜坡选项(YES, NO)默认为NO
RAMP_ROTATING_FRAME= NO

% 旋转框架坡道参数(启动转速、更新-迭代-频率、坡道迭代总次数)
RAMP_ROTATING_FRAME_COEFF= (0.0, 39.0, 500)

注：ROTATION_RATE= 0.0 0.0 -366.52：表示绕Z轴以366.52rad/s角速度旋转，使用右手定则判断方向，“负号”表示顺时针

Analysis & Post-proc. BCs

MARKER_PLOTTING= (BLADE1, BLADE2, BLADE3)

注：

1. 流体在求解文件中的表面标记
2. 涡轮仿真需要计算叶片上的情况，这里就需要设置BLADE1, BLADE2, BLADE3三个面，求解结束之后会得到三个表面的计算数据。所以在解文件夹中可以看到三个表面的解文件（surface_flow_0.dat，surface_flow_1.dat，surface_flow_2.dat），分别对应这三个叶片。