ansys教学算例集汽轮机内蒸汽平衡态与非平衡态仿真分析

★CopyrightANSYS教学算例集汽轮机内蒸汽平衡态与非平衡态分析撰写：审核：校对：2018年09月30日目录关键字：算例来源：1.摘要............................................................................................................................12.描述....................................................................................................................13.操作步骤....................................................................................................................23.1.准备工作..........................................................................................................23.2.平衡态工况网格及边界条件设置..................................................................43.3.平衡态工况CFX-Solver求解设置..............................................................143.4.平衡态工况CFD-POST后处理设置...........................................................143.5.非平衡态边界条件设置................................................................................173.6.非平衡态工况求解设置................................................................................213.7.非平衡态工况CFX-Solver求解设置..........................................................223.8.平衡态工况CFD-POST后处理设置...........................................................224.本章小结..................................................................................................................26I1.摘要透平机械是将流体的能量（热能、势能或动能）转化为机械能的一种动力装置，通过主轴带动发电机或其他从动机。透平机械有汽轮机、燃气轮机、透平膨胀机、水轮机和风力机等。本例以一级轴流透平内流为例，用ANSYS19.0软件，对蒸汽轮机叶片的一级湿蒸汽流场进行平衡态与非平衡态两种状态下的，属性、边界条件、求解和后处理的设置。2.案例描述本例以单级透平机械内流场为例，由两部分网格组成：静子叶片流道网格和转子叶片流道网格。静子叶片整60个，转子叶片整113个，级排比接近于2:1。静子部分流道为6°单流道，转子部分流道为两个叶片通道6.372°（2*360°/113）叶栅进口平均速度约为100m/s，转子以523.6rad/s的转速绕z轴旋转，静子则保持不动。转子叶顶与机匣的网格并未考虑在本转子网格中。1边界条件：总压0.265bar，静压0.0662bar，总温328.5K计算域本例中，将创建两个稳态计算：1.采用多组分均匀混合液态水和水蒸气项；2.单独的液态水和水蒸气项用于非平衡。3.操作步骤3.1.准备工作3.1.1.创建工作目录打开ANSYSCFX，将网格文件rotor.grd,stator.gtm拷贝至英文文件目录下，更改WorkingDirectory路径至网格文件目录下。2鼠标左键单击CFX-Pre19.0，进入CFX-Pre界面。3.1.2.新项目创建进入CFX-Pre界面，鼠标左键单击【File】>【NewCase】或菜单栏下，新建case，在弹出的框中选取【SimulationType】>【Turbomachinery】，点击【OK】进入到case设置界面中。33.1.3.保存case文件选择【File】>【SaveCaseAs】，在【Filename】中写入WaterVaporEq，单击【Save】保存case文件。3.2.平衡态工况网格及边界条件设置3.2.1.依照模板设置网格及边界条件3.2.1.1.在【BasicSettings】中参考以下图片设置参数3.2.1.2.点击【Next】进入到【ComponentDefinition】中，右键添加网格文件。参考以下图片内设置选择目录下stator.gtm文件43.2.1.3.重复以上步骤，右键添加名为rotor.grd的网格文件，选择网格为m。设置转速为523.6[radians^-1]展开PassagesandAlignment，选择【Edit】。按以下图片设置参数。5点击【Done】，点击【Next】。3.2.1.4.在【PhysicsDefinition】中按以下操作设置。3.2.1.5.确认参数设置正确后，点击【Next】进入到【InterfaceDefinition】中，确认交界面设置。3.2.1.6.确认交界面设置参数后，点击【Next】进入到【BoundaryDefinition】中。3.2.1.7.确认边界条件设置参数后，点击【Next】进入到【FinalOperations】中。3.2.1.8.确认【Operation】为【EnterGeneralMode】，点击【Finish】。进入到CFX-Pre常规设置界面中。63.2.2.设置材料属性在之前的模板定义中，我们制定了流体介质为理想水蒸汽。在这里指定均匀的两相混合物来替换流体介质，以模拟平衡态的湿蒸汽状态。通过IAPWS数据库中水的不同状态定义混合物，水蒸气项为H2Og，液态水为H2Ol，混合物项命名为H2Og。3.2.2.1.设置H2Og材料属性1.点击菜单栏中Material选项，新建名为H2Og的材料数据2.在弹出的BasicSettings选项栏中设置【Option】>【PureSubstance】，设置【MaterialGroup】>【IAPWSIF97】，【ThermodynamicState】，选择【ThermodynamicState】>【Gas】73.切换到MaterialProperties选项栏中，【ThermodynamicProperties】>【TableGeneration】，【MinimumTemperature】>【Min.Temperature】>250[K]，【umTemperature】>【Max.Temperature】>400[K]，【MinimumAbsolutePressure】>【Min.AbsolutePres.】>0.01[bar]，【umAbsolutePressure】>【Max.AbsolutePres.】>0.6[bar]，【umPoints】>100。84.点击【OK】完成设置3.2.2.2.设置H2Ol材料属性1.在Outline中选择展开Materials，右键单击H2Og，选择Duplicate。将出的名为’CopyofH2Og’的材料名称改为’H2Ol’2.双击H2Ol，进入编辑界面，在弹出的BasicSettings选项栏中设置【ThermodynamicState】>【Liquid】3.点击【OK】确认设置3.2.2.3.创建混合材料属性1.创建新材料命名为H2Olg2.在弹出的BasicSettings选项栏中设置【Option】>【HomogeneousBinaryMixture】，【MaterialGroup】>【IAPWSIF97】，选择【Material1】>【H2Og】，【Material2】>【H2Ol】93.切换到MaterialProperties选项栏中，【ThermodynamicProperties】>【TableGeneration】MinimumTemperature】>【Min.Temperature】>273.15[K]，【umTemperature】>【Max.Temperature】>400[K]，【MinimumAbsolutePressure】>【Min.AbsolutePres.】>0.01[bar]，【umAbsolutePressure】>【Max.AbsolutePres.】>0.6[bar]，【umPoints】>100。104.点击【OK】确认设置。3.2.3.修改流域及边界条件3.2.3.1.在Outline中双击R1，进入编辑界面。在BasicSettings栏下的FluidandParticleDefinitions…中删除【WaterIdealGas】，新建名为【H2Olg】的项，设置【Material】>【H2Olg】，点击【Apply】。3.2.3.2.切换至FluidMs栏下，选择【ComponentMs】>【Component】>【H2Og】>【Option】>【EquilibriumFraction】113.2.3.3.点击【OK】确认设置。3.2.3.4.在Outline中双击S1下的S1Inlet边界，进入编辑界面3.2.3.5.在Boundarys栏下设置【Components】>【H2Og】>【Option】>【MassFraction】>1.0，点击【OK】确定设置。123.2.4.初始化设置3.2.4.1.菜单栏中单击【GlobalInitialization】3.2.4.2.设置【CartesianVelocityComponents】>【AutomaticwithValue】>0[ms^-1]，0[ms^-1]，100[ms^-1]；【StaticPressure】>【AutomaticwithValue】>0.2[bar]；【Temperature】>【AutomaticwithValue】>328.5[K]；【Components】>【H2Og】>【AutomaticwithValue】>【MassFraction】>1133.2.5.点击按钮DefineRun。保存名称为WaterVaporEq.def的文件。3.2.6.点击Save保存。3.3.平衡态工况CFX-Solver求解设置3.3.1.选择DoublePrecision(可选)。3.3.2.选择【ParallelEnvironment】>【RunMode】>…调整并行核数(可选)。3.3.3.在打开的CFX-Solver求解器中选择【StartRun】。3.4.平衡态工况CFD-POST后处理设置在CFX-Solver界面下，单击选择LaunchCFD-Postwitharesultsfile。进入到CFD-POST界面下。143.4.1.模板后处理初始化选择【Turbo】>【TurboInitialization】>【InitializeAllComponents】3.4.2.叶片展向半高截面显示3.4.2.1.在主菜单下选择【Insert】>【Location】>【TurboSurface】3.4.2.2.在设置界面中Geometry栏下选择【Definition】>【ConstantSpan】>0.53.4.2.3.点击【Apply】确认设置，并在Outline窗口下关闭TurboSurface1可视化。3.4.2.4.新建等值线云图Contours，命名为StaticPressure，在Geometry栏下设置【Locations】>【TurboSurface1】，【Variable】>【Pressure】，点击【Apply】。153.4.3.叶片展向半高截面液相体积分数显示3.4.3.1.去选Outline中StaticPressure云图，关闭静压云图可视。3.4.3.2.新建等值线云图Contours，命名为MassFractionofLiquidPhase，在Geometry栏下设置【Locations】>【TurboSurface1】，【Variable】>【H2Ol.MassFraction】，点击【Apply】。3.4.4.叶片展向半高截面温度分布显示3.4.4.1.去选Outline中MassFractionofLiquidPhase云图，关闭液相体积分数云图可视。3.4.4.2.新建等值线云图Contours，命名为StaticTemperature，在Geometry栏下设置【Locations】>【TurboSurface1】，【Variable】>【Temperature】，点击【Apply】。16关闭POST界面。3.5.非平衡态边界条件设置在CFX-Pre中打开WaterVaporEq.cfx文件，在菜单栏中选择【File】>【SaveCaseAs】，将文件另存名为WaterVaonEq.cfx，点击Save保存。3.5.1.调整流域设置3.5.1.1.在Outline中双击流域R1，进入编辑界面。在BasicSettings栏下的FluidandParticleDefinitions…中删除【H2Olg】，新建名为【H2Og】的项，设置【Material】>【H2Og】，【Morphology】>【Option】>【ContinuousFluid】。3.5.1.2.在FluidandParticleDefinitions…中新建名为【H2Ol】的项，设置【Material】>【H2Ol】，【Morphology】>【Option】>【Droplets(PhaseChange)】。173.5.1.3.切换至FluidMs栏下，【Multiphase】>【HomogeneousM】，去选【HeatTransfer】>【HomogeneousM】，【Option】>【FluidDependent】。3.5.1.4.切换至FluidSpecificMs栏下，选择【Fluid】下【H2Og】，设置【HeatTransferM】>【Option】>【TotalEnergy】；选择【Fluid】下【H2Ol】，设置【HeatTransferM】>【Option】>【SmallDropletTemperature】，【NucleationM】>【Option】>【Homogeneous】，勾选【NucleationBulkTensionFactor】>【NucleationBulkTension】>1.。183.5.1.5.切换至FluidPairMs，设置【MassTransfer】>【Option】>【PhaseChange】>【SmallDroplets】，设置【HeatTransfer】>【Option】>【SmallDroplets】。193.5.1.6.点击【OK】确认设置。3.5.1.7.在Outline中双击流域S1，进入编辑界面。参考R1流域的设置，以同样设定设置流域。（在R1设置完成后，S1流域中大部分的设置已经自动调整为一致，只需调整FluidSpecificMs栏下【NucleationM】>【Option】>【Homogeneous】，【NucleationBulkTensionFactor】>【NucleationBulkTension】>1.）。3.5.2.调整进口边界条件3.5.2.1.在Outline中双击S1Inlet，进入设置窗口。在FluidValues栏下选择【BoundaryConditions】>【H2Og】；【HeatTransfer】>【Option】>【TotalTemperature】>328.5[K]；【VolumeFraction】>【Option】>【Value】，【VolumeFraction】>1；203.5.2.2.在FluidValues栏下选择【BoundaryConditions】>【H2Ol】；【VolumeFraction】>【Option】>【Value】，【VolumeFraction】>0；【DropletNumber】>【Option】>【SpecifiedNumber】>【DropletNumber】>0[m^-3]3.5.2.3.点击【OK】完成设置。3.6.非平衡态工况求解设置3.6.1.在Outline双击【Simulation】>【Solver】>【SolverControl】，设置【FluidTimescaleControl】>【PhysicalTimescale】>5e-5[s]。点击【OK】确认修改。213.6.2.点击按钮DefineRun。保存名称为WaterVaonEq.def的文件。点击Save保存。3.7.非平衡态工况CFX-Solver求解设置3.7.1.选择DoublePrecision(可选)。3.7.2.选择【ParallelEnvironment】>【RunMode】>…调整并行核数(可选)。3.7.3.在打开的CFX-Solver求解器中选择【StartRun】。3.8.非平衡态工况CFD-POST后处理设置在CFX-Solver界面下，单击选择LaunchCFD-Postwitharesultsfile。进入到CFD-POST界面下。223.8.1.模板后处理初始化选择【Turbo】>【TurboInitialization】>【InitializeAllComponents】3.8.2.叶片展向半高截面过冷度显示3.8.2.1.在主菜单下选择【Insert】>【Location】>【TurboSurface】3.8.2.2.在设置界面中Geometry栏下选择【Definition】>【ConstantSpan】>0.53.8.2.3.点击【Apply】确认设置，并在Outline窗口下关闭TurboSurface1可视化。3.8.2.4.新建等值线云图Contours，命名为DegreeofSupercooling，在Geometry栏下设置【Locations】>【TurboSurface1】，【Variable】>【H2Og.Supercooling】，点击【Apply】。233.8.3.叶片展向半高截面成核率和液滴数分布显示3.8.3.1.去选Outline中DegreeofSupercooling云图，关闭过冷度云图可视。3.8.3.2.新建等值线云图Contours，命名为NucleationRate，在Geometry栏下设置【Locations】>【TurboSurface1】，【Variable】>【H2Ol.NucleationRate】，设置【Range】为【Local】，点击【Apply】。3.8.3.3.去选Outline中NucleationRate云图，关闭过成核率云图可视。3.8.3.4.新建等值线云图Contours，命名为DropletNumber，在Geometry栏下设置【Locations】>【TurboSurface1】，【Variable】>【H2Ol.DropletNumber】，点击【Apply】。243.8.4.叶片展向半高截面液滴质量分数分布和液滴直径分布显示3.8.4.1.去选Outline中DropletNumber云图，关闭液滴数云图可视。3.8.4.2.新建等值线云图Contours，命名为MassFractionofCondensedPhaseH2Ol，在Geometry栏下设置【Locations】>【TurboSurface1】，【Variable】>【H2Ol.MassFraction】，点击【Apply】。3.8.4.3.去选Outline中MassFractionofCondensedPhaseH2Ol云图，关闭液滴质量分数云图可视。3.8.4.4.新建等值线云图Contours，命名为ParticleDiameter，在Geometry栏下设置【Locations】>【TurboSurface1】，【Variable】>【H2Ol.ParticleDiameter】，【Range】>【UserSpecified】，【Min】>0[m]，【Max】>1e-7[m]，点击【Apply】。254.本章小结本节内容以轴流蒸汽轮机透平内流场湿蒸汽分析为例。了利用CFX模板进行湿蒸汽叶片平衡态与非平衡态流场步骤，材料属性设置、边界条件设置、计算设置和后处理的设置。26