某型单级轴流压气机性能仿真与试验案例

SimV&Ver CFD流体力学验模软件，是安怀信公司自主研发的用于流体仿真与试验验证的软件。

SimV&Ver CFD软件的分析流程是：

• 首先明确物理问题和目标响应量，集成CFD仿真软件和网格软件接口，并进行初步CFD仿真设置和求解；

• 利用SimV&Ver CFD的仿真模型验证功能模块，对由物理模型近似带来的误差、迭代收敛误差、时间/空间离散误差等各项误差及其精度进行评估和控制；

• 利用SimV&Ver CFD的仿真与试验结果对比模块（CAST），对仿真和试验结果的一致性进行分析，定量评估仿真结果的误差；如果仿真结果精度结果满足要求，则直接进入虚拟性能样机库，否则进入修正模块；

• 利用DOE实验设计和灵敏度分析模块，对输入参数生成样本空间，进行参数相关性分析和和灵敏度分析，同时计算仿真输入参数对仿真输出结果影响大小的灵敏度排序图；

• 当单次CFD仿真时间过长时，可以基于样本点输入/输出数据建立高精度代理模型，进行高效快速计算，加快验模分析；

• 修正模块中，会根据试验数据采用各种优化算法和参数修正等方法对仿真模型输入参数、物理模型参数等进行修正和校准，得到精度最高的仿真参数组合并形成仿真模板，最终进入虚拟性能样机库；

• UQ不确定性量化模块中，可考虑输入参数的概率分布，采用不确定性分析方法得出仿真结果概率分布和偏差，并确认仿真模型置信区间；

• 当调用已确认和校准仿真模型对超出确认域问题进行仿真预测时,可采用Prediction仿真模型误差与精度预测功能对仿真结果的误差和置信度进行评估；用户可根据评估结果指导设计新的确认试验。

我们可以通过一个案例来具体了解，SimV&Ver CFD的分析过程。

针对某型单级轴流压气机进行CFD仿真计算和多次试验测量，得到仿真结果和一系列上下波动的试验数据，用户面临如下问题：

 

仿真模型求解精度验证（Verification）

采用Star ccm+软件对压气机性能进行初始仿真计算：

 

调用物理模型精度分析模块对K-Omega、K-Epsilon、S-A三种湍流模型精度进行评估（以增压比π为例），发现K-Omega模型精度最高，选择该模型：

调用离散误差精度评估模块对三套叶片网格1、2、3（特征尺寸比为1：1.5：2.25），计算得Mesh2网格离散误差精度为±0.026，符合要求选取Mesh2：

调用计算收敛误差精度分析模块对上述仿真结果残差曲线进行评估，得到其精度为±0.00007，符合要求：

综合上述结果可得合成后的仿真模型求解精度为±0.0266

 

UQ不确定性量化分析

• 调用SimV&Ver的UQ不确定性量化分析模块，对4个输入参数（转速、级进口总压、进出口背压、进口气流角）不确定性导致的响应量（增压比π）变化结果进行分析，得其上下限为±0.08：

• 根据计算结果可对各输入参数对响应量的敏感度系数进行分析：

仿真与试验结果对比与误差分析（Validation）

• 调用仿真与试验结果对比与误差分析模块，对CFD仿真与试验结果误差进行对比分析；

  
  

• 根据试验测得增压比累积分布曲线，可得该级压气机压比不低于1.57的概率为95%，符合设计要求；

• 试验与仿真结果的叶片表面静压分布（15个测点）曲线的确认指标（Validation Metrics）为0.9827。

Updating仿真模型精度自动优化模块

• 调用SimV&Ver CFD的Updating模块，根据试验结果采用多目标优化算法（Multi-Optimization）对CFD仿真模型进行精度提升；增压比与试验值相对误差减小；

  
  

• 修正后静压分布测点确认指标（Validation Metric）由0.9827提升至0.9945；

• 采用仿真模型预测功能（Prediction）对110%额定转速下压气机增压比进行误差和精度预测（80%、90%、100%额定转速已经试验确认），得到仿真结果误差预测值为0.0198±0.0256：

文章来源：安怀信正向设计研发港