Построение геометрии проточной части в Design Modeler ANSYS CFX
Построение модели проточной части межлопастных каналов в Design Modeler имеет некоторую специфику:
- Вращение рабочих органов (рабочих колес) по умолчанию осуществляется только вокруг оси OZ;
- Положительное направление расхода рабочего тела совпадает с направлением оси OZ;
- Положительное направление вращения проточной части осуществляется по часовой стрелке, если ось вращения колеса OZ направлена от Вас
Кроме того, Design Modeler имеет определенный синтаксис, то есть следует соблюдать терминологию и структуру рабочей области (домена). Как правило, перед постановкой компьютерного эксперимента, инженер или студент проводит предварительные расчеты - так называемое "первое приближение". В первом приближении определяются основные геометрические параметры рабочих органов: диаметры втулки и внешнего обвода, положения входной и выходной кромок и пр. Параметры из первого приближения служат отправной точкой в процессе численного моделирования. Как правило, на рабочих чертежах и пояснительных записках лопастные системы имеют вид меридианной проекции. Такое отображение наиболее предпочтительно, с точки зрения чтения чертежа. Хотя, конечно, лопасти имеют сложную пространственную конфигурацию и характеризуются большим числом параметров. Design Modeler разработан так, чтобы исследователь мог сначала без труда ввести данные о меридианных проекциях рабочих органов. Структура построения геометрии в Design Modeler подразумевает обязательное использование следующих элементов:
- inlet - входная зона;
- outlet - выходная зона
- hub - втулочная поверхность (ведущий обвод);
- shroud - внешний обвод (ведомый);
- le - входная кромка лопасти;
- te - выходная кромка лопасти;
- sl - линия тока
По этим шести элементам генерируется проточная часть лопастной системы практически любой конфигурации. Обратимся теперь к главному окну программы:
Как видно программа обладает достаточно широким набором инструментов для построения. Его вполне хватает для создания самых сложных проточных частей межлопастных каналов.
В качестве примера проведем в Design modeler построение проточной части осевого рабочего колеса водяного насоса. Его внешний вид дан на рисунке 3 выше. Для начала построения лопасти (лопатки) колеса нам потребуется: диаметр втулки колеса - dвт; внешний диаметр - D; протяженность лопасти в осевом направлении по втулке и по внешнему обводу - l1 и l2. Все эти параметры определяются в результате предварительного расчета лопастной системы по классическим методикам. В нашем случае: dвт=50 мм; D=81 мм; l1=28 мм; l2=20 мм.
Перед началом работы в Design modeler следует настроить менеджер лицензий, чтобы активизировать инструменты создания лопастей. Запустите Workbench. Перейдите по вкладке: Tools - License Preferences... В появившемся окне перейдите во вкладку Geometry и переместите ANSYS BladeModeler в первую позицию и нажмите OK:
Теперь, зафиксировав левую кнопку мыши на иконке Geometry из "тулбокса" Workbench, перетащите эту иконку в свободное место в Project Schematic.
Щелкните два раза по ячейке Geometry с вопросительным значком справа - запустится главное окно Design Modeler. Выбираем в качестве единиц измерения миллиметры и нажимаем ОК.
Теперь создаем структуру проточной части. Выделите левой кнопкой мыши плоскость ZXPlane в дереве построений и создайте 6 новых эскизов. Присвойте имена эскизам: inlet, outlet, hub, shroud, le, te.
Теперь в каждом эскизе нам нужно построить ту часть меридианной проекции, которая относится непосредственно к втулке (hub), обводу (shroud) и т.д. Итак, выделяем левой кнопкой мыши первый эскиз (inlet) и переходим в панель построения эскиза. Во вкладке Constraints "галочками" активизируем автоматические привязки. Это нужно для удобства построения геометрии.
Приступаем к построению. Переходим во вкладку Draw и выбираем инструмент Line. Затем располагаем плоскость проекции XZ параллельно экрану монитора, воспользовавшись кнопочкой, выделенной красным.
Удерживая левую кнопку мыши в первом квадранте системы координат (в верхней правой четверти) проводим вертикальную линию произвольной длинны. В процессе построения возле линии может появляться буква "V", что говорит о том, что автоматические привязки в этом положении выставят линию строго вертикально. Построив линию, вернитесь обратно в дерево построений, щелкнув по вкладке Modeling.
Постройте остальные эскизы таким же образом по шаблону, показанному на рис. 1. Каждый эскиз должен содержать только тот набор элементов (отрезков, дуг, сплайнов), который относится непосредственно к той или иной составляющей проточной части. Конкретно в этом случае - каждый эскиз содержит лишь одну линию (отрезок). При построении может возникнуть необходимость воспользоваться некоторыми инструментами из панели построения эскиза (удлинение, усечение, вертикальные и горизонтальные привязки). Стоит также отметить, что конфигурация проточной части должна быть нарисована предельно качественно. Не допускаются "хвосты" , торчащие за пределы основной геометрии. Крайние точки отрезков не должны "висеть в воздухе" отдельно от остальной геометрии. Не допускаются пересечения отрезков.
В целом, геометрия меридианной проекции колеса построена, но теперь необходимо полностью образмерить полученный "скелет". Выделите в дереве построений нашу плоскость построений ZXPlane и перейдите во вкладку создания эскиза Skeching. Затем щелкните по вкладке Dimensions. Выберите нанесение вертикального размера и затем последовательно щелкните по оси OZ и по линии верхнего обвода (shroud). В поле построения возникнет размерная линия. Если по ней щелкнуть левой кнопкой мыши, то в нижнем левом углу в панели свойств объекта появится значение размера, которое должно представлять из себя случайную с большим числом знаков после запятой цифру.
Введите значение 40,5 и нажмите enter - значение размера изменится и отрезок shroud "перескочит" в положение, соответствующее введенному числу. Напоминаем, что D=81 мм. Поставьте аналогично вертикальный размер на отрезок hub и введите значение 25 мм (dвт=50 мм). Поставьте горизонтальные размеры 10 и 60 мм на отрезки inlet и outlet соответственно. Закоординируйте также положение входной и выходной кромок, используя горизонтальные размеры. Расстояние между кромками по втулочной линии тока составляет l2=28 мм. Расстояние между кромками по верхнему обводу - l1=20 мм. Замети, что когда объект в области построения полностью определен (образмерен), он автоматически подкрашивается синим цветом. Неопределенные объекты - серые. На данном этапе нам осталось зафиксировать положение входной и выходной кромок относительно входа (inlet) и выхода (outlet). Поставьте еще пару горизонтальных размеров 12 и 15 мм между inlet и концами отрезка эскиза le так, что бы меридианная проекция лопасти была похожа на трапецию.
Итак, контуры проточной части готовы. Теперь сгенерируем эту проточную часть при помощи инструмента FlowPath, расположенного в верхней части окна в панели BladeEditor. Щелкните левой кнопкой мыши по значку FlowPath.
Присвойте в панели свойств ячейкам на желтом фоне одноименные эскизы (скетчи), созданные ранее, последовательно выбирая их в дереве построений. После того, как все контуры будут назначены щелкните по кнопке Generate вверху экрана.
В данном случае проточная часть сгенерирована только по двум линиям тока - по hub и по shroud. Для лопасти с такой радиальной протяженностью желательно использовать для профилирования не менее трех линий. Добавим одну линию тока проходящую по середине меридианной проекции лопасти. Для этого щелкните левой кнопкой мыши в дереве построений по появившейся иконке FlowPath. В панели свойств в нижнем левом углу экрана появится список настроек. Щелкните правой кнопкой мыши по надписи жирным шрифтом Layer Details 2 и в появившейся панельке щелкните Insert layer above. Нажмите снова снова Generate. Вообще любые изменения с проточной частью или лопастью происходят только после нажатия кнопки Generete.
Как мы можем заметить появилась средняя линия тока в проточной части. Заметим также, что проточная часть сформировалась (хотя этого пока и не видно))) строго в пределах того контура, который Вы нарисовали. В ходе дальнейшей работы его можно видоизменять и проточная часть будет соответственно обновляться (не без помощи кнопки Generate).
Теперь приступаем к созданию лопастей. Щелкните по кнопочке Blade в панели BladeEditor. В видоизменившейся панели свойств последовательно присвойте из дерева построений соответствующие FlowPath, входную кромку (le), выходную кромку (te) ячейкам на желтом фоне. Измените значение ячейки Number of Blade Sets с 32 до 3. Колесо имеет 3 лопасти. После проделанных операций щелкните кнопку Generate и лопасти сгенерируются. После того, как лопасти появятся активизируйте работу средней линии тока, как показано на рис. 20 и нажмите снова Generate.
Помимо конфигурации меридианной проекции лопасть характеризуется еще и углами. В частности углами охвата профиля (φ) и углами установки лопасти на входной и выходной кромке (βл). Перед тем, как продолжить, необходимо из предварительных расчетов первого приближения определить значения этих углов хотя бы по трем линиям тока. В нашем случае значения этих углов следующие (см. таблицу):
| βл (на входной кромке le) | βл (на выходной кромке te) | φ - угол охвата | |
|---|---|---|---|
| sl1 | 22 | 42 | 125 |
| sl2 | 18 | 28 | 110 |
| sl3 | 14 | 19 | 100 |
Теперь перенесем значения углов на созданные лопасти в Design Modeler. В Design Modeler предусмотрено два режима профилирования лопастей: по углу охвата и по углу установки. В этой программе эти параметры жестко завязаны между собой - изменяя значение одного параметра определенным образом изменится значение второго. Вы можете выбирать любой способ и с опытом появится ясность - в каком режиме Вам удобнее работать. В программе BladeGen по этому вопросу предусмотрено гораздо больше возможностей, однако о ней речь пойдет в другой статье. Для примера рассмотрим профилирование по углу установки лопасти (βл). Щелкните левой кнопкой мыши по значку "+" в дереве построение напротив иконки Blade1, которую Вы только что создали. Выпадет список из 3-ех профилей (Blade1_Camberline1, ....2, ....3). Щелкните по Blade1_Camberline1 и обратите внимание, что в области построений подсветилась линия тока, совпадающая с контуром hub. Данный Blade1_Camberline1 отвечает за профилирование лопасти по втулочной линии тока. Остальные Blade1_Camberline из дерева построений отвечают за среднюю и за периферийную (shroud) линию тока соответственно. Обратите, также внимание, что с правой стороны экрана возникли два новых окна, в которых отражены графики изменения углов и толщин лопасти вдоль выбранной линии тока. Измените режим профилирования в каждом из трех профилей, как показано на рисунке 21 и затем нажмите Generate.
Обратите внимание, что в области графиков изменения углов активизировался нужный нам график углов βл, который сейчас содержит для форматирование очень большое число точек. Оставьте на графике 4 точки. Чтобы удалить точку с графика щелкните правой кнопкой мыши в любом месте окна, где нарисован график, и выберете пункт Delete Point. После этого щелкните левой кнопкой мыши по точке, которую нужно удалить и она исчезнет. Для удобного профилирования иногда достаточно даже двух крайних точек, отвечающих за углы установки лопасти на входной и выходной кромках. Здесь оставим 4 точки (2 крайние и 2 где-то между крайними))) для придания поверхности лопасти плавных очертаний.
Теперь все готово для назначения расчетных углов из таблицы. Мы введем рассчитанные значения углов установки лопасти только на входной и выходной кромке. Щелкните 2 раза левой кнопкой мыши по первой красной точке на графике. Появится маленькое поле ввода с возможностью изменения двух координат. Измените значение второй координаты точки, введя значение угла установки на входной кромке по первой линии тока (hub) - в нашем случае это 22 градуса. Однако производители программы отсчитывают углы установки лопасти от вертикальной оси. Классические теории профилирования лопастей для насосов (по крайней мере в России и СНГ) дают углы относительно горизонтальной оси. Поэтому, чтобы лопасть установилась так как нам нужно необходимо вводить угол как 90-βл т.е.68 градусов.
Аналогично введите значение угла установки на выходной кромки лопасти, не забывая учитывать угол в 90 градусов. Значение угла установки лопасти на выходной кромке по линии тока hub составит 90-42=48 градусов. Все графики изменения угла установки лопасти вдоль всей линии тока должны быть плавными и не должны иметь ярко выраженных максимумов и минимумов. Поэтому, перемещая левой кнопкой мыши оставшиеся два красные маркера, сформируйте плавный график изменения угла установки лопасти.
Обратите внимание, что в соответствии с расчетами и таблицей значений углов, нам требуется обеспечить расчетный угол охвата лопасти в 125 градусов. Как Вы вероятно заметили, добиваясь плавности графика углов установки лопасти (серый график), автоматически видоизменялся второй (синий) график угла охвата. Подберите такую кривизну графика углов установки лопасти, чтобы разность значений углов охвата на концах синего графика составляла 125 градусов как на рисунке ниже.
Итак, мы настроили профиль по привтулочной линии тока. На данном этапе не рекомендуется нажимать кнопку Generate, поскольку данная конфигурация профиля может оказаться несовместимой с еще не настроенными профилями оставшихся линий тока (средней и периферийной). Поэтому проделайте аналогичную настройку профилей по оставшимся линиям тока используя данные значений углов из таблицы. После этого можно нажимать Generate. Должны получиться лопасти похожие на те что на рис. 26.
Теперь обратим внимание, что входная кромка получилась перпендикулярной оси вращения рабочего колеса. Для колес насосов, да и вообще гидромашин в целом это не очень хорошее явление. Необходимо эту кромку сделать более плавной и обтекаемой. Для этого следует графики углов охвата среднего и периферийного профилей сместить на несколько градусов вверх, чтобы соответствующий профиль начинался несколько позже предыдущего. Делается это следующим образом. Щелкните левой кнопкой мыши по пиктограмме средней линии тока (Blade1_Camberline2) в дереве построений и в панели свойств измените параметр Theta at Reference на 7 градусов. В третьем профиле Blade1_Camberline3 в той же ячейке введите значение 15 градусов и нажмите Generate. Как можно видеть входная кромка стала более обтекаемой и плавной, что благотворно скажется на гидродинамические характеристики лопасти. Однако при этом потеряла форму выходная кромка лопасти - она стала вогнутой. У подобных колес выходную кромку также лучше скруглить.
Для настройки конфигурации выходной кромки уменьшим значение угла охвата лопасти в профиле Blade1_Camberline3 примерно на 10 градусов путем изменения кривизны графика угла установки лопасти на том же профиле. После всего нажмите Generate. Придадим также более опрятный вид кромкам лопасти. Щелкните левой кнопкой мыши по пиктограмме Blade1 и в панели свойств лопасти в разделе Trailing Edge Details измените значение ячейки Type на ellipse в место cut off. Измените появившиеся параметры Ellipse Ratio at Hub и Ellipse Ratio at Shroud на 2 в каждой ячейке. Нажмите Generate.
На данном этапе можно завершить профилирование лопасти и перейти к приданию толщины. Щелкните по привтулочном профиле в дереве построений Blade1_Camberline1. На графике изменения толщины профиля по умолчанию установлена постоянная толщина равная 2 мм. Вид графика можно настраивать аналогично тому, как мы настраивали график углов установки лопасти. Щелкните правой кнопкой мыши в области графика изменения толщины и в появившемся меню выберете пункт Insert point. Затем щелкните правой кнопкой мыши по линии графика, чтобы создать дополнительную точку. Лопасть у втулки (или корня) должна быть несколько толще чем в остальных местах. Поэтому, щелкая левой кнопкой мыши по красным точкам графика введите толщину лопасти на кромках равной 3 мм. Значение толщины в промежуточной (расположите ее примерно посередине) точке, которую Вы только что создали, должно составлять 5 мм.
Теперь перейдите в профиль Blade1_Camberline1. Создайте там еще одну дополнительную точку и установите значения 2 мм по кромкам (крайние точки) и 3 мм в промежуточной. Перейдите в профиль Blade1_Camberline2 и в панели свойств в разделе Details of Thickness в ячейке Thickness Definition выберете пункт Interpolated. Таким образом толщина профиля в промежуточной линии тока будет автоматически назначаться. Этот прием особенно удобен, если у Вас будет больше трех линии тока. После всех операций нажмите Generate. В области построений лопасти должны принять более массивную форму. Толщина лопасти в гидромашинах определяет прочность колеса и технологию его изготовления. Однако, с точки зрения гидродинамики увеличение толщины лопасти плохо сказывается на обтекаемости профиля, следовательно, возможен рост гидравлических потерь.
Для повышения устойчивости будущих расчетов рекомендуется "отодвигать" входную и выходную области (эскизы inlet и outlet) от кромок лопасти. Для этого измените соответствующие размеры в эскизах так, чтобы вид меридианальной проекции выглядел примерно как на рис. 32.
Теперь выполним заключительный этап подготовки геометрии, а именно подготовимся к созданию расчетной сетки. Речь о сеточных генераторах пойдет в сответствующих разделах сайта, однако думать о них нужно начинать уже сейчас. Здесь мы рассмотрим подготовку геометрии к сеточным генераторам TurboGrid и Meshing. Для работы в TurboGrid нам потребуется выполнить экспорт построенной проточной части в эту программу. Для этого щелкните левой кнопкой мыши по кнопочке ExportPoints в панели инструментов BladeEditor (сверху). В панели свойств среди прочего появится две ячейки на желтом фоне. Желтой ячейке под названием Blade or FlowPath присвойте пиктограмму Blade1 из дерева построений. Нажмите Apply в ячейке, а затем Generate. Все, теперь геометрия без проблем импортируется в TurboGrid.
Для сеточного генератора Meshing нужно создать модель проточной части межлопастного канала. Для этого щелкните левой кнопкой мыши по значку StageFluidZone в панели инструментов BladeEditor. В панели свойств желтой ячейке FlowPath присвойте пиктограмму FlowPath1 из дерева построений. Нажмите Apply и затем Generate. В области построения появилась сложная геометрия проточной части межлопастного канала, которая при экспорте в meshing и будет разбиваться на сетку.
В дереве построений раскройте список твердых тел и отключите три тела, соответствующие лопастям в области построений. Для дальнейшей работы тела лопастей нам не потребуются. Выделите три пиктограммы Solid и нажмите правую кнопку мыши. В появившемся окне нажмите Suppress Body. Лопасти исчезнут.
Остался последний штрих. Как было отмечено в самом начале статьи положительное направление вращения проточной части осуществляется по часовой стрелке, если смотреть со стороны входа в рабочую область. Однако DesignModeler сгенерировал лопасти под отрицательное вращение. Для установки корректного направления вращения щелкните левой кнопкой мыши по пиктограмме FlowPath1 в дереве построений. В панели свойств найдите ячейку Theta Direction. Замените ее значение на Left Handed в место Right Handed и нажмите Generate. Лопасти сгенерируются в другую сторону. Если не проделать эту операцию в дальнейшем нам придется задавать отрицательную частоту вращения, что не очень корректно, хотя и не является ошибкой.
Итак, работа в DesignModeler завершена. Можно приступать к созданию сетки. Сохраните проект в WorkBench и переходите в соответствующие разделы сайта.