一、寫在前面

　　NUMECA國際公司于1992年，在國際著名葉輪機械氣體動力學及CFD專家，比利時王國科學院院士、布魯塞爾自由大學流體力學系主任查爾斯-赫思（Charles HIRSCH)教授的倡導下成立。

　　其核心軟件是在該系80~90 年代為歐洲宇航局(ESA)編寫的CFD 軟件—歐洲空氣動力數值求解器(EURANUS)--的基礎之上發展起來的。

　　NUMECA這個單詞的意思應該是取自NUmerical、 MEchancs 和appliCAtions這三個單詞。NUMECA是一個CFD分析軟件包，分析軟件包主要有FINE/Turbo、FINE/Marine、和FINE/Open 等，其中均包括前處理，求解器和後處理三個部分。

　　Fine這個單詞的意義應該是取自這三個單詞Flow、INtegrated和Environment。FINE/Turbo 用于内部流動，FINE/Marine用于跨介質流動，FINE/Open 可用内外部流動，但為非結構自适應網格。

　　二、FINE/Turbo是一套CFD分析體系

　　FINE/Turbo是面向旋轉機械的CFD分析體系，體系主要包括幾何和網格劃分模塊IGG/AutoGrid，求解計算模塊EURANUS，後處理模塊CFview。

　　IGG是通用的結構網格生成器，優點是快速、界面友好（見仁見智）、易于使用，該模塊也具備幾何繪制功能。AutoGrid是旋轉機械結構網格自動生成器，可以快速、自動、多塊的劃分高質量的葉輪機械網格。EURANUS是全二階精度的采用多重網格加速收斂技術的CFD求解器。CFview是功能強大流動顯示器。可做任何定性或定量的矢量标量的顯示圖。特别是可處理和制作适合于葉輪機械的任何S1 和S2 面，及周向平均圖。 目前，NUMECA FINE/Turbo軟件最新版本為13.2，于2019年3月發布的，軟件的功能還是很強大的，在葉輪機械仿真計算方面有很大優勢，在航空航天領域使用的還是滿多的。軟件的專業性毋庸置疑。

　　這款軟件的學習資料并不太多，并且軟件專用于旋轉機械領域，因此比fluent等主流CFD軟件的學習成本大。

　　筆者在工作中學習并使用了igg/autogrid/euranus/cfview這四個模塊的部門主要功能來仿真計算軸流透平産品，整體感覺很專業、很好用的。

　　1、AutoGrid 5

　　AutoGrid 5是AutoMesh中的重要組成模塊，它是基于模闆技術的葉輪機械全自動結構化網格生成器，在葉輪機械領域得到了廣泛應用和好評。

　　其獨有的RowWizard功能，采用預先内置多種葉輪機械網格模闆的方式來避免用戶對拓撲結構和網格節點分布的大量手動調整，在保證網格質量的前提下，大幅減少了工程師的工作量和網格劃分所需時間。在導入幾何之後，應用網格模闆生成高質量的結構化網格隻需要數分鐘時間。

　　AutoGrid 5是基于模闆技術的葉輪機械全自動結構化網格生成器，在葉輪機械領域得到了廣泛應用和好評。其獨有的Row Wizard功能，采用預先内置多種葉輪機械網格模闆的方式來避免用戶對拓撲結構和網格節點分布的大量手動調整，在保證網格質量的前提下，大幅減少了工程師的工作量和網格劃分所需時間。在導入幾何之後，應用網格模闆生成高質量的結構化網格隻需要數分鐘時間。

　　（1）特點和特色

　　基于網格模闆技術，無需手動調節拓撲結構;簡單易操作的向導模式;豐富的CAD接口，與多種CAD格式兼容;網格邊界條件自動設置;網格劃分速度快，網格質量高;完美适用于複雜幾何結構的網格劃分;葉尖間隙、汽封通道、倒角、處理機匣;分流葉片、串列葉栅、加強闆、凸凹葉頂;端壁冷卻孔、平衡孔、零半徑、葉片鈍頭;多級、非軸對稱端壁、涵道、阻尼凸台、非諧對稱葉片等。 （2）AutoGrid5網格質量評判

　　采用NUMECA中的AutoGrid5模塊進行網格劃分，理論上，網格最小正交性角度越接近90°越好，最大網格長寬比越接近1越好，最大網格延展比越接近1越好。但由于邊界層以及幾何的複雜性的存在，上述要求很難實現。

　　實際應用中一般要求如下：

　　最小正交性角度（min.Skewness）＞10°；最大網格長寬比（max.Asp.Ratio）＜5000；最大網格延展比（max.Exp.Ratio）＜10。不但要考慮網格的極值，還要考慮平均值和分布位置問題！ 2、求解器Turbo

　　在NUMECA FINE/Turbo體系中，求解器為Turbo，前身是NUMECA立身之本“EURANUS”核心。

　　Turbo是葉輪機械行業最為快速和準确的結構化網格求解器，求解快速、結果準确、内存消耗低是他最大的優勢。

　　Turbo是全二階精度結構化網格求解器，其基于密度的求解方法保證了快速的高速流場收斂速度，采用多重網格技術使得計算速度顯著提高。

　　對不可壓縮流采用先進的預處理技術，并提供了針對透平機械專用的邊界及初場給定方法。通過求解時間相關的雷諾平均Navier-Stokes方程組來模拟不可壓流體、可壓縮亞音流/跨音速流動以及超音速流動等各種速度範圍下的流動。

　　（1）Turbo特色：

　　支持在64位WINDOWS操作系統和LINUX操作系統下運行；基于全二階精度的數值格式，保證了計算精度；采用先進的全多重網格技術和基于密度的求解方法保證了快速的流場收斂速度；軟件核心程序編寫過程中對數據庫結構進行優化，最大程度減小内存占用量；具備良好的單節點/跨節點并行計算能力；對低速/不可壓流動采用先進的預處理方法，改善其求解的魯棒性；可使用強化隐式加速收斂技術，将計算收斂速度呈量級地降低；非線性諧波法（NLH）技術可快速高精度地模拟葉輪機械非定常流動；可采用源項法和實際網格建模進行流熱耦合計算；可應用模态法結合NLH模塊進行流固耦合、顫振問題求解；使用任務管理器TaskManager對并行計算進行分配，實現大量計算任務的高度自動化；采用python語言可對不同的模型、流場模拟或結果輸出進行全自動處理。 三、我使用NUMECA FINE/Turbo的體會

　　在工作過程中，我時常使用NUMECA FINE/Turbo進行軸流葉輪機械産品性能分析，就軟件使用體會和感想做以下總結：

　　1、基礎知識方面

　　流體力學、計算流體力學還有旋轉機械基本理論，這三個方面的基本知識是必備的，并且本着活到老學到老的态度不斷學習。

　　2、标準和規範

　　無論是科研人員還是工程師，對一些标準和規範要進行深入學習和理解，比如性能測試的标準GB/T1236，噪聲測試标準GB/T2888等。

　　掌握測試标準的重要性在于，仿真時邊界條件的确定和設置，旋轉機械仿真分析是本着取與實際實驗相近的計算域和邊界條件進行的。

　　3、關于設計部分

　　單純的仿真工程師如果沒有設計經曆或者經驗，是無法對仿真結果進行确認的。仿真不止是機械式的畫好網格、輸入邊界條件、選好湍流模型、結果後處理的流水線式工作。基于現今仿真技術的跨越式發展，仿真已作為産品研發的虛拟實驗，可以驗證産品性能是否滿足需求，并未涉及改進提供建議。

　　另外，最重要的一點，好的設計（流動合理，數學和物理範疇内正确），加上正确合理的仿真流程和方法，才能将仿真技術的優勢發揮的淋漓盡緻。一旦原始設計存在缺陷，仿真上一定不能得出滿足的結果。

　　4、關于網格

　　IGG的邏輯和ICEM基本一緻，基于“塊”的思想劃分結構化六面體網格。隻是，ICEM是分塊進行映射，而僅需要給出幾個必需的面或者線來确定網格線或網格面的走向，便可直接 生成塊中的網格。

　　對于AutoGrid，是帶有拓撲模闆的自動網格劃分器，其邏輯與TurboGrid基本一緻。隻是，AutoGrid可以劃分專為自家求解器使用的多重網格，充分利用多重網格加速技術，使得計算魯棒性和收斂性得到大大改善。

　　不同于ANSYS通用網格劃分器可直接對三維或二維何模型劃分生成網格，AutoGrid需要葉輪機械葉片和通道的幾何數據點文件，數據點一般是由設計工程師提供，主要是葉片壓力面和吸力面數據。

　　5、關于求解器

　　求解器是全二階精度的，可允許y 是1或小于1的量階, 從而可采用低雷諾數湍流模型，在網格長寬比小于5000範圍内保持健壯（魯棒性） ，基于多重網格加速技術，求解器非常快速，占用内存需求非常低，計算100萬網格點的三維湍流問題，約需0.4～0.7G内存，比CFX計算開銷要小。

　　同時，求解後，有一個mf總體性能文件，可快速查看葉輪機械總體性能參數，流場細節或特定結果處理需用CFview。

　　6、優勢和缺點

　　個人最大的感覺就是，軟件優勢在于葉輪機械處理的一條龍服務的連續性好，網格劃分、計算機後處理專業、專注，省去很多人工設置和計算的麻煩，再者就是求解速度快，占用資源少等等。

　　以上是numeca軟件作為專業專注的葉輪機械仿真軟件自帶光環，然而，以下幾點是我覺得不太完美的地方：

　　首先，IGG/AutoGrid中沒有Undo/Redo的功能，操作失誤後很有可能不可挽救，要重新再來。

　　再者，軟件界面個人感覺還不是那麼任性化，操作邏輯有時想不通。

　　最後就是，學習資料相對較少，市場推廣的還不是那麼好，葉輪機械從業人員也不是很多人用這款軟件。

　　作者：jflu1989 仿真秀科普作者

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