谐波平衡准则

本节介绍通常适用于谐波平衡模拟的设置和求解步骤。

尾流

入口边界应为滞止入口。通过在入口边界处指定非稳态“尾流”，可预先指定非稳态边界条件。

可通过以下任一方式指定此非稳态“尾流”：

选择“标准”尾流模型，如正弦、高斯和 Hodson（如期刊论文中所述：[reflink]），或者
指定包含压力、速度和温度或其傅立叶系数的空间变体的用户表。

没有尾流时，Simcenter STAR-CCM+ 将计算稳态流。

内存要求

所需内存与计算中使用的时间级别数近似成比例。时间级别数 N 由 N = 2M + 1 给出，其中 M 为用户指定的模式数。大多数情况下，1 到 3 个模式足以，典型值为 3。流体越不稳定，需要的谐波越多。

域和边界条件

物理域取决于物理几何。按照以下准则设置边界条件：

不需要延伸域来减轻反射。而是在入口、出口和交界面上使用非反射边界处理。通常，5 到 10 个非反射模式足以。在禁用非反射处理的情况下，通常最好是首先考虑收敛。
将边界条件指定为入口总压力和出口静压。首先使用稳态求解器验证边界条件。如果需要特定质量流量，则先结合使用稳态求解器与目标质量流量压力出口来确定适当的边界压力。
使用叶片区域之间的混合平面交界面。请参见混合平面交界面。
无论每排中的相对叶片计数如何，每排只需一个叶片气道。

网格

按照以下准则设置网格：

谐波平衡求解器可在任意非结构化网格上进行求解。不需要交界面处的结构化网格。
最好使用多面体网格或结构化网格。
排间交界面上的网格分辨率必须统一且相对精细。
排间交界面两侧的网格单元必须具有相同的尺寸。
尽可能使用低 y+ 网格。尤其需要确保在发生分离的叶片和轮叶上使用低 y+ 网格。

物理

按照以下准则设置物理：

使用下列物理模型：
- 三维
- 谐波平衡
- 理想气体
- 湍流
- 全 y+ 壁面处理
谐波平衡求解器目前兼容大多数的 K-Epsilon、K-Omega 和 Spalar-Allmaras 湍流模型。
从收敛的稳态模拟启动谐波平衡模拟。
按区域分区是大多数谐波平衡模拟的最高效分区方法。
对于大多数情况，在叶片排管理器专家属性中，会将频率计算选项设为只考虑相邻。考虑所有叶片排选项非常适用于上游或下游的多个叶片排中持续存在非稳态流特征的情况，但不适用于具有四个以上叶片排的情况。请参见叶片排管理器专家属性。
首先，将库朗数设为 5。谐波含量较高的情况可能需要较低的库朗数。
要研究高湍流残差，需要关闭残差归一化来确定湍流残差的绝对值是否较低。从收敛的稳态求解开始时，湍流残差值可能已经较低了。

求解步骤

通常，最好从收敛的稳态求解开始谐波平衡模拟。有时，可以从统一的初始条件开始谐波平衡模拟，这通常要比先收敛稳态求解再重新收敛谐波平衡求解器花费更长的时间。

使用以下步骤：

生成稳态物理连续体。
- 使用在上一步中与谐波平衡模型一同使用的相同模型，例如：
  - 三维
  - 稳态
  - 理想气体
  - 湍流
  - Spalart-Allmaras 湍流
  - 全 y+ 壁面处理
- 使用与谐波平衡物理连续体相同的参考值。
- 将所有区域设为稳态物理连续体。
- 初始条件设置如下：
  - 初始速度：轴向的非零值。
  - 初始温度：入口静态温度的估计值。
  - 初始压力：入口压力和出口压力之间的较大值
- 将库朗数设为 20。
禁用非反射处理。进行初始化时，隐式（反射）交界面更稳定。
- 将所有间接交界面设为隐式。请参见混合平面交界面。
- 关闭入口和出口上的非反射处理。
初始化网格，为涡轮机和中等压力比压缩机提供良好的初始流场。使用以下设置执行网格排序初始化：
- 最多网格级数：10
- 每级最大迭代：200
- 每级的收敛容差：0.005
- CFL 数：20
运行稳态求解器。收敛时，残差应下降大约四个数量级，且物理量积分应接近常数值。
对于非反射情况，重置值：
- 启用对入口和出口的非反射处理。将非反射模式数设为 5 和 10 之间的值。
- 将所有间接交界面更改为显式并启用非反射处理。（请参见混合平面交界面。）将所有交界面上的模式数设为 5 和 10 之间的值。
  - 设置每个交界面两侧的非反射模式数。
  - 切勿在组成交界面的边界实体上设置非反射处理。初始化时，边界实体应为空。
运行稳态求解器以再次收敛。
将所有区域更改为谐波平衡物理连续体，然后运行谐波平衡求解器进行收敛。