第十二章跨叶片截面模块
12.1绪言
本章针对透平机械讲述快速三维跨叶片截面模块的分析过程。这个模块是全自动完成的并且利用一些NUMECA工具。
此外，附加模块FINE?/Design2D这些工具联系起来，可以进行叶片重新设计，改善叶片表面压力分布，关于这些详见第13章。
这个模块假设流动是轴对称的，并且流面形状和厚度也由用户提供或由参数自动生成(利用根部和顶部边界)。
几何输入数据必须由用户提供：
1、流面及叶片这个流面上的截面或
2、完整的叶片轮廓及端壁
本模块由网格自动生成与NS湍流方程组成。
在下一节讲述这个跨叶片截面模块的界面及对用户的建议。12-4节讲述自动生成网格的理论和求解方程。12-5节讲述几何数据和输出结果。12-6讲述实例。
12-2跨叶片截面模块的界面
在FINE?/Design2D界面之下运行跨叶片截面模块，这些可以高速，简单，交互式求解。所有参数可以在用户界面中选取，并自动创建输入文件及求解。监视工具，MonitorTurbo,可以在计算中和计算后检查收敛情况及结果。它可以实时查看叶片表面压力分布的收敛过程及叶片几何形状。
结果分析利用NUMECA CFViwe?后处理工具进行，自动进入跨叶片截面模式。
几何数据以ASCII输入文件列出，但是求解参数定义及边界条件在这个界面
中列出。
这个截面的描述由FINE?/Design2D界面中的菜单创建。更详细的说明见12-5.
12.2.1开始新的或打开现存S1面计算
在开始界面下，Project Selection窗口允许创建新工程或打开现存工程。对于创建新的跨叶片截面工程，按如下操作：
1、单击按扭Create a New Project
2、选取工程保存路径及输入文件名
3、关闭Grid File Selection窗口，Design 2D不需要输入网格文件
4、进入S1流面模块，菜单Modules/Design 2D
如果要打开现存工程，在Project Selection窗口中单击Open an Existing Project 按扭，并在File chooser窗口中选取一个文件。最近使用过的文件在最近工程列表中列出。如果所选取的文件是以Design2D模式保存的，则FINE?界面自动转到这个相应的模块，显示界面如图12.2.1-1所示。
FINE?/Design2D界面如同FINE?/Trubo界面一样，包括菜单，工具栏，计算设置与参数区域。在菜单中同样也有一个Modules项，可以快速转到其它模块。Design2D模块的图标栏仅包括2D计算内容。界面左侧的参数列表也是与2D计算一致的。这一项的大多数内容与FINE?/Turbo工程是相似的。之间的差别仅在于：
●在Flow Model页：Design2D模块不能进行非定常计算。
●Boundary Conditions页的说明见12-2.3
●Blade-to-blade data页的说明见12-2.2
●Initial Solution页的说明见12-2.5
12.2.2 跨叶片截面数据
Blade-to-blade data页(上图左侧倒数第三行展开)出现三个分项：
●叶片几何模型，参阅12.2.2.1
●网格生成参数，
●反问题：仅需2D设计参数，不需要分析。详见第13章。
叶片轮廓和子午流面(或端壁边界)是由一些连续的点的坐标构成的ASCII文件输入，详细说明见12-5节
所有的几何数据都有一个相同的长度单位(可以任意选择)。这个长度单位设置是在Blade geometry页Blade geometry项进行选择。
12-2.2.1 叶片几何定义
输入数据类型有三种形式可用：
-2D：仅对轴流适用，且流面为圆柱面(半径为常数)。这个叶片几何模型是在这个流面上。
-Q3D：The axisymmetric streamsurface is given, and the blade geometry is specified on the given surface.
-3D: 这个完全的3D几何模型是由连续的叶片截面组成（最少数2个截面，次序是从根部到顶部）。
a)流面数据
图12.2.2-2显示了输入参数区域。对不同的输入文件类型需要输入文件：
●2D 或Q3D：流面定义文件
●3D ：端壁文件，两个文件，根部曲线和顶部曲线
输入文件类型为3D则需要附加参数：
●几何分区或用户定义流面Geometrical division 或streamtube provided
●如果是Geometrical division：展向位置为0-1之间
●如果是streamtube provided：输入两个文件(两条直线)
In both cases the module automatically calculates the intersection of the 3D blade with the considered streamsurface。
对3D类型，推荐展向边界网格厚度为1%
In a 2D，Q3D or 3D case with streamtube provided, the blockage ratio permits to scale the streamtube thickness distribution.
无论哪种输入数据类型，都必须设置NB of points along meridional trace.这个值默认为300.
b)叶片几何数据
在Blade Geometry页，依据输入数据类型，叶片几何定义需要如下参数：
●叶片几何数据文件：
-2D或Q3D：吸力面与压力面文件
-3D：展向截面数及每个截面的位置，每个截面的压力侧与吸力侧文件
●前缘钝角边：如果选取，则前缘钝角处理
●尾缘钝角边：如果选取，则尾缘钝角处理
●分流叶片：(我对这个没兴趣)
●长度单位：用户输入数据所采用的单位，为米与所采用单位之比(如果
输入的数据单位为毫米，则这个比值为0.001)。全部几何数据必须采用相同单位，即用户所选取的这个单位。
叶片数或周向长度：对2D输入类型，这个值为周向长度，Q3D或3D 类型，这一项为输入叶片数。图12.2.2-3
c)叶片数据编辑
选取Blade data edition将修改前缘或与尾缘数据。
12-2.2.2网格生成参数
如图12.2.2-5这一项必须由用户修改。系统默认值对大多数网格是适用的。
可用的网格生成参数有：
●H- or I网格：用户可选是否包含上游和/或下游网格。
●生成方式：全自动或半自动
-对全自动模式，用户仅需指定吸力侧网格点数。其它区域的网格数按光顺需要计算出。
-对半自动模式，用户指定上游或下游的网格倾斜角度，以及每个区域的网格数。
●圆周方向网格数:这个数最好是8的倍数，这样有四重网格可用。
●周期性边界的类型：选取直线或曲线。默认为周期性边界线为曲线。
●在下面的三页中的参数影响了网格的质量和分布
a)clustering
第一个参数clustering coefficient in streamwise direction输入值范围为从0.0到1.0。如果值为1.0则网格均匀分布，如果为0.0则所有网格点集中在边缘。第二项为定义Euler网格生成还是N-S网格生成。如果选取了N-S网格生成还必须设置以下参数：
●第一层网格单元的尺寸(单位：米)
●pitchwise 方向的网格数
●从叶片边缘到进口或出口的clustering 类型，constant 或decreasing
b)smoothing
椭圆形光顺可改善网格质量。用户可选clustering control 与orthoganallty control，并设置光顺次数Number of sweep.
c)local pre-smoothing
局部光顺用于前/尾缘半径的网格。
12-2.2.3 反问题设计菜单
这个菜单为反向设计模块。当进行流动分析时，这项菜单的内容不需要指定。
对于反问题模块的详细说明见第13章。
12-2.3 边界条件
在Boundary conditions 这一页允许定义进出口边界及旋转速度。
这个Rotational speed单位必须是RPM(revolutions per minute每分钟转数，旋转方向的正向与θ定义的正向相同，参看图12.5.1-12)
12-2.3.1 进口边界条件
以下为可用的进口边界条件：
●绝对速度方向(弧度)+绝对总量(Pa ,K)
●相对速度方向(弧度)+相对总量(Pa, K)
●绝对速度分量Vθ(m/s)+绝对总量(Pa, K)
●相对速度分量Vθ(m/s)+相对总量(Pa, K)
●质量流量(kg/s)+绝对速度方向(弧度)+静温(K)
●质量流量(kg/s)+相对速度方向(弧度)+静温(K)
●质量流量(kg/s)+ 绝对速度分量Vθ(m/s)+静温(K)
●质量流量(kg/s)+ 相对速度分量Vθ(m/s)+静温(K)
用户选取其中一种方式设置进口条件。
12-2.3.2 出口边界条件
有三种出口边界条件可用：
●出口静压(Pa)
●质量流量(kg/s)(+出口静压用于初始计算)
●超音速出口(出口静压由初始计算)
零阶和一阶外推法可用，同时可用专家模式(默认为零阶)。
设置质量流量为边界条件对于反问题方法则是比较稳定的。因此在分析过程中也推荐用质量流量作为边界条件。比较理想的设置是质量流量进口和压力出口，或是进口的总量与出口质量流量。
12-2.4 数学模型
通常Numerical Model参数的默认值是适当的。
In the blade-to-blade module it is not possible to perform the calculations on a coarser mesh level as it is the case with 3D projects.
12-2.5 初始求解菜单
需要提供一个初始静压或是Initial Solution File用于求解。如图12.2.2-9