2023年SU2会议中的涡轮仿真教程 - part1:配置文件

发布时间:2023年12月28日

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。

      在这里插入图片描述

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

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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
    在这里插入图片描述
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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)

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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

在这里插入图片描述

  • 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。

    在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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_MOVEMENTROTATING_FRAME,另外还要设置原点和旋转轴,即MOTION_ORIGIN= 0.0 0.0 0.0ROTATION_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。
文章来源:https://blog.csdn.net/qq_44725135/article/details/135251554
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