Отрасли
Турбомашиностроение
Революционная методика для решения периодически повторяющихся турбулентных потоков с минимальными вычислительными затратами
Использование CFD-метода для расчёта турбомашин прошло долгий путь становления, начиная с 2D метода расчёта невязкого потока «от лопатки к лопатке» 1960-х гг. Недавние усовершенствования метода гармонического баланса подтвердили, что сегодня численное моделирование играет важную роль в разработке турбомашин.
В общем, турбомашины представляют собой многоступенчатое устройство с неравномерным вращением статора и ротора. Большинство потоков имеют крайне неустойчивый характер.
Выбор между стационарными и переходными методами решения для такого рода задач зависит от наличия правильного баланса между вычислительными затратами, точностью и эффективностью.
Нелинейный метод гармонического баланса STAR-CCM+ - это абсолютно новый вычислительный подход, предлагающий все преимущества обоих методов расчёта периодических потоков.
Метод гармонического баланса STAR-CCM+ представляет собой полное разложение уравнений Навье-Стокса в частотной области, где нестационарный переходный поток представлен в частотной области в виде ряда (преобразования) Фурье во времени.
Все уравнения переноса импульсов, энергии и турбулентности раскладываются в частотной области на основе базовых режимов движения, как правило, режим частоты вращения лопаток и режим повторяющихся волновых колебаний. Чтобы получить коэффициенты Фурье, решаются стационарные уравнения, представляющие нестационарное решение на уровнях дискретного времени в одном нестационарном периоде..
Необходимое число временных уровней зависит от числа режимов задачи. Стационарное решение на каждом временном уровне неявно связано в периодических границах физическими производными по времени.
Линейная система затем подвергается приближённой факторизации для достижения неявного связывания между временными уровнями.
Применение
Турбомашины с осевым потоком – это устройства, которые были одни из первых смоделированы с помощью метода гармонического баланса, хотя метод также может применяться и к центробежным машинам. В принципе, метод может применяться к широкому кругу физических задач при условии, что задача периодична во времени. Примеры использования: флаттер, вынужденная (ответная) реакция, перенос тепла, производительность (эффективность) и акустика.
На рисунке показана сетка ротора/статора
Преимущества
Главное преимущество метода гармонического баланса заключается в том, что он позволяет решать задачи с нестационарными потоками с помощью технологий расчёта стационарного потока. Это означает, что метод рассчитывает быстрее и отсюда более экономно с точки зрения вычислительных затрат.
