深度解析ANSA Turbo模块下的Blade功能

来源：BETA CAE Systems

简介

本文将介绍 ANSA Turbo 模块下的 Blade 功能。作为专为涡轮机械叶片开发的结构化网格划分自动化工具，Blade 工具适用于轴流式叶片的六面体网格划分。这一工具能够根据叶片的三维形态自动识别流道区域并划分 Hexa Block 盒子，从而快速生成六面体网格。用户仅需预先定义好 Property，并输入合适的网格参数，工具将自动完成整个流程，提高工程师建模的效率，也确保了涡轮机械仿真中对网格一致性、可控性与精度的严格要求。

前期准备

在使用 Blade 功能前，为方便工具中的自动化模板进行各区域的正确识别，需要预先为叶片的几何模型划分 Property。

以下图 1 的叶片为例，需要划分出 Blade, Hub, Shroud, Inlet 和 Outlet 五个 Property。这一操作可以借助 Geometry 菜单下的 Set PID 功能完成。

图 1 为轴流式叶片划分 PID

此外，需指定前缘和后缘的特征线，并分别保存在 Set 中。将 Set 命名为 LE （Leading Edge）和 TE （Trailing Edge）以做区分，如图 2 所示。

图 2 为轴流式叶片指定前缘/后缘

定义叶片级参数

完成 PID 分配及前缘线、后缘线的定义后，即可使用 Blade 功能为叶片构建结构化六面体网格。

Blade 功能位于 Hexa Block 菜单下的 Turbo 模块中，以 CFD 布局打开 ANSA 时，Hexa Block 菜单将默认位于页面上方的菜单栏中。

图 3 Blade 功能位置

Blade 的功能窗口如图 4。第一步需要指定叶片级参数，即周期性流道的数量、旋转轴和计算域。

图 4 Blade: Stage Definition

对于本例而言，在 Number of passages 处输入 76，即周期性通道数为 76 个。

在 Rotation axis and origin 中，选择全局坐标轴的原点为旋转轴原点，Z 轴为轴向。除了直接输入数值外，也可以通过在 ANSA 图形区中点击两个点定义矢量的方式来定义旋转轴。

Domains 分类中，如果包含 Inflow，Outflow 或 Open 的区域可以相应勾选，并在前一步中为这些区域划分 PID，本例中保持默认不勾选。

窗口左下角还有一个文件夹和保存的图标，代表此功能中用到的参数可以保存为模板并在后续应用中使用。

定义叶片表面边界

第二步是定义叶片表面边界。

Tip 指定叶片在 Hub 或 Shroud 侧的尖端，这里选择 No tip。

Leading edge/Trailing edge 用于指定前缘/后缘的形状，可以选择 Rounded 或 Blunt，本例模型为 Rounded。

Fillet 指叶片和 Hub/Shroud 连接位置是否存在圆角，此处选择 No fillet。

Periodic sides 用于定义周期性边界，如果选择 Calculated 则会根据当前的参数设置计算周期性边界，此外也可以选择 Specific 并指定相应的表面为周期性边界。

在 Property 命名恰当的情况下，窗口下方的 Surface 和 Property 栏将会自动匹配，如图 5 所示，否则需要手动选择。在 LE Set 和 TE Set 中指定前缘线和后缘线所在的 Set，在命名恰当时同样会自动匹配。

图 5 Blade: Surface Definition

指定网格参数

第三步为指定网格参数，分为对网格尺寸的定义，及对叶片/流道顶端/流道底端的细化设置，也相当于边界层的设置。

对于网格尺寸，有三种定义方式：Automatic, Number per direction 和 Advanced。

在 Automatic 模式下，仅需指定总单元数和增长率，ANSA 将会自动计算网格尺寸。

图 6 Mesh Size: Automatic

Number per direction 模式可以指定三个维度的网格层数（Inlet to outlet，Hub to shroud，Blade to blade）及增长率。

图 7 Mesh Size: Number per direction

Advanced 模式下，需要指定最大和最小的网格尺寸、增长率以及畸变角度。

图 8 Mesh Size: Advanced

对于叶片/流道顶端/流道底端的细化设置，一般来说仅需要指定第一层高度和增长率。但对于 Blade refinement 而言，当 Mesh size 设置为 Automatic 或 Number per direction 时还可指定更多网格细化的方式，包括 Automatic，Distance 和 Number of steps。

选择 Automatic 时 ANSA 会自动计算，除第一层高度和增长率外无需额外定义。

选择 Distance 时需要额外指定偏移距离。

图 9 Blade Refinement: Distance

选择 Number of steps 则需额外指定偏移方向上的层数。

图 10 Blade Refinement: Number of steps

在本例中，我们采用如图 11 所示的网格参数设置。

图 11 Blade: Mesh Parameters

指定网格生成相关参数

第四步需要指定网格生成相关的参数。

生成网格后体网格将自动保存在 fluid 类型的 property 中，因此需要在 Fluid property name 指定该 property 名称，此处保持默认为 Fluid。

用户可以在 Number of passages to mesh 中指定将划分网格的通道数目，本例中设置为 1。

Generate shell mesh 和 Generate volume mesh 代表是否生成面网格和体网格，如果均不勾选，将只划分盒子而不生成网格，此处保持勾选。

Calculate on multiple sections 主要针对高度弯曲的叶片，当需要计算截面上的网格时需要勾选此选项，此处不勾选。

图 12 Blade: Mesh Generation

确认网格生成效果

最后一步是对网格生成效果的预览，点击 Finish 将确认生成网格，如果对生成效果不满意，也可点击 Back 回到前序步骤重新配置参数。

图 13 Blade: Confirm the created topology

本例中生成的网格效果如下（为了方便查看已关闭几何面显示），从图 14、图 15 中可以看到 Blade 功能根据叶片的几何形状自动划分了盒子，并生成了高质量的六面体网格，在叶片、流道顶部和底部的壁面附近也生成了边界层。

图 14 Blade生成的网格效果

图 15 叶片附近的网格

总结

以上介绍了 ANSA 中专用于涡轮机械叶片结构化六面体网格划分的自动化工具——Blade 功能，详细介绍了该功能的适用范围、功能窗口及相应得参数设置，并展示了生成的网格效果。借助该工具，用户能够在高度自动化的流程中为叶轮机械仿真获得质量稳定、拓扑清晰的六面体网格，大幅提升前处理效率。

作者 | 李梓月

Cadence CAE 工程师