博客分享｜基于CFD的通流分析：搭建一维分析与三维分析之间的桥梁

现今，一维分析在新品设计或针对已有产品改型设计的初期阶段，得到了广泛认可，因其能迅速有效地评估设计方案，确实为设计过程带来了便利。然而，这种分析方法的局限性也不容忽视，它过于依赖所选取的经验模型是否准确恰当，而这种内在考量并未涵盖所有案例，难以确保普遍适用性。因此，在实际应用中，我们必须权衡分析速度与结果精确度之间的微妙平衡。

从另一方面来看，我们拥有三维CFD技术。相较于以往过度依赖“经验模型”的做法，三维CFD凭借其高度密集的数值计算能力，能够精准模拟涡轮机械设计中那些复杂多变的物理行为，展现其独特而精彩的面貌。然而，正如每枚硬币都有其两面性，这种方法同样需要付出相应的代价——三维CFD运算过程极为耗时。特别是对于轴流压缩机或轴流涡轮这类设计，由于其通常包含多达数十乃至超过20级的级数，整个模拟过程的时间成本更是呈几何级数增长。网格数量之庞大，即使借助并行计算技术，单个工况点的计算时间也可能长达数小时甚至数天。从这个角度来看，一维分析中的精度问题似乎也并没有那么糟糕。

总的来说，基于CFD的通流分析在处理阻塞及跨音速流时具有优势。它还可处理任意位置的抽气、补气影响（而流线曲率法在处理抽气、补气时需要特定的模型）。虽然基于CFD的通流分析需要损失模型和落后角模型，但它无需更多的模型和近似就能自动处理叶片展向上的分布。

另外，基于CFD的通流分析还有一个重要优势：它是基于CFD的，也就是说可以将它和三维CFD的结果在相同的后处理器中进行处理和比对。这些比对的结果不仅可以帮助我们校核基于CFD的通流分析；也可以帮助我们提高三维CFD的初场准确性，以此来改进和加快更大、更复杂的三维CFD的收敛的速度。

基于CFD的通流计算在其他方面也有价值。例如采用基于CFD的通流分析完成若干工况点的计算，并将其与1维多点工况图关联；采用基于CFD的通流分析绘制整个工况图；采用基于CFD的通流分析结果进行一部分三维几何优化；采用基于CFD的通流计算中的“设计模式”按照给定的流量和压力条件来逆向反求叶片角。

与流线曲率法相比，基于CFD的通流分析的主要缺点在于它需要花费更多的时间。通常，根据模型大小，我们需要花费几分钟至几小时的时间（但这仍比三维CFD花费的时间少的多）。另外，由于新设计部分与网格位置的“非匹配性”，这会对“设计模式”的开发带来更多的挑战性，但目前看来这仍是有可行性的。

目前Concepts NREC正在继续微调基于CFD的通流求解方案，包括基于CFD的通流的“分析模式求解器”和“设计模式求解器”的开发完善，以确保我们能提供一套可靠、高效的二维求解器来填补一维分析和三维CFD分析之间的空白。这也是Concepts NREC未来几年的重要任务之一。当基于CFD的通流求解方案和我们的三维设计工具AxCent®结合使用时，该求解方案能通过在求解的精准性和求解时间之间更好的均衡来为三维设计提供更明智的决策。以此为涡轮机械设计尤其是轴流机械的设计带来巨大价值。