新一代CAE/CFD

　　在实际的生产生活中，旋转机械不仅仅包含旋转部件，还含有静止部件(静叶、导流器、机体，等)。旋转部件和静止部件间的动静干涉效应会导致一系列复杂流动结构的形成：如激波的运动、流动的分离、以及周期性的压力波动等，这些都可能降低旋转机械的气动效率和稳定性。因此对动静干涉效应的准确模拟往往对旋转机械，特别是多级旋转机械的设计优化的效果起到至关重要的作用。

Dimaxer软件基于动态重叠网格(Dynamic overset)方法来对动静干涉问题进行高保真求解，其相较于目前主流商软常用的定常掺混面方法，动态重叠网格允许独立地为每个移动或变形的子域生成适合各自形状和运动规律的网格，从而能够轻松处理具有相对运动的部件，如旋转机械中转子与静子之间的相互作用。

下面采用Dimaxer软件对公开算例TUDa跨音压气机级进行4阶精度大涡模拟，验证Dimaxer软件求解动静干涉问题的准确度。

　　01 网格划分

　　Meshing

　　流体域网格采用Quad Mesh和Hex Mesh生成。

　　计算域包含全环的转子和静子，同时包含进气锥以考虑转子进口坡角的影响，出口延伸1.5倍的静子弦长以使尾迹充分掺混。转子和静子的第一层网格高度都取0.00002m，计算得到的转子第一层网格y+约为20，转子和静子网格的展弦比都小于500。转子叶尖间隙内取5层网格，流向×周向×展向网格分别约为58×31×37，网格数约为214万。静子流向×周向×展向网格分别约为60×21×37，网格数约为200万。

　　02 计算设置

　　Calculation settings

采用Dimaxer可压4阶精度求解器进行壁面解析的大涡模拟，自由度(求解点)约为2.65亿，基于4阶求解点计算的y+约为5，折合2阶有限体积(FVM)的y+约为1.25，对流通量使用HLLC。工质为理想气体;入口为均匀来流轴向进气，总温为288.15K，总压为99100Pa;出口为均匀压力出口，选取峰值效率点处的背压，约为129150Pa;壁面设置为绝热壁面;转子换算转速为20000RPM。

　　03 计算结果

　　Calculation results

　　从均匀初场模拟转子旋转3圈，流动基本进入统计稳态，采用8张Nvidia RTX 4090D显卡计算，共用时约5.6天(1089GPU时)。

        选取压气机级进出口作为统计截面，流量、压比、效率、力矩随时间变化曲线如下图所示：

使用Dimaxer-Post进行可视化分析，涡结构(Q准则，3.5e8)和0.16m叶高处的速度云图随时间变化过程如下所示：

选取与试验相同的测量截面布置数值探针，采用面积平均，得到转子出口(ME21)和静子出口(ME30)的子午平均流场数据，与试验对比如下图所示。可以看到转子压比分布同试验吻合较好，叶尖泄漏损失、静子根部损失相比试验值偏低，需进一步分析入口边界附面层、叶尖网格量、静子前容腔泄漏、压力出口边界等可能因素的影响，以及不同求解精度、通量格式、壁面模型、网格密度等对求解结果的影响。

　　压气机级的稳态特性以及失速点脉动压力同试验的对比将在《Dimaxer | 跨音压气机级动静干涉的高阶大涡模拟(下)》中做更进一步的展示，敬请关注!

       【参考文献】

　　GitHub-HexFluid/GPPS_Workshop_data_TUDa-GLR-OpenStage: GPPS CFD Workshop data