CN108399291B - 一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法，具体步骤如下：获取叶轮机械的有叶部件的三维几何模型；在叶根和叶梢之间插入一组互不相交的回转曲面，每个曲面的回转轴与该叶轮机械的旋转轴重合；根据叶片数，将每个回转曲面均分成多个单通道曲面；将单通道曲面转换到一个二维平面上，得到一平面几何区域；将平面区域划分为多个分区，并在每个分区上划分二维结构化网格；将平面网格转换为曲面网格；将各层曲面网格叠加在一起，连接相邻层中对应的网格节点，生成三维网格。本发明具有操作方便、效率较高等优点。

Description

一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法
技术领域
本发明涉及三维空间结构化网格划分领域，具体来说是一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法。
背景技术
计算流体力学（CFD）是以计算机为工具，利用离散化的网格技术和数值计算方法求解流体运动方程，从而揭示流动机理和流动规律的新兴交叉学科。CFD技术在叶轮机械内部流场计算中的应用始于20世纪80年代。早期的计算方法是针对无粘流体的，采用的网格也十分粗糙。20世纪90年代以后，随着大容量、高速度计算机的出现及并行计算技术的发展，叶轮机械内流计算进入三维粘性数值模拟时期，即通过直接求解Reynolds时均化的Navier-Stokes（RANS）方程及连续性方程，结合湍流模型来计算叶轮内的三维粘性流动。
目前叶轮机械分析中最常用的三维CFD计算方法是单排单通道定常流计算，即以单排叶片作为分析对象，并假定流场在旋转坐标系下是定常的，即流动状态不随时间变化，并且流场在圆周方向是周期性的，即任意两个相邻叶片之间的流场是完全相同的，基于以上假设，可以根据叶片数将流动区域均分成多个完全相同的单通道计算域，即每个计算域仅包含一个叶片周围的流动区域，三维流场计算就是在这样的单通道计算域上进行的。
三维CFD计算的计算量巨大，需要占用大量的计算资源，因而对计算网格的质量有极高的要求，结构化网格由于原理简单，易于实施，并能大幅度提高CFD算法的计算速度，一直被广泛应用在叶轮机械的流动计算中，但由于叶轮机械内部流道的几何形状复杂，一般的结构化网格难以适应，效率较低，操作复杂。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的操作复杂、效率较低的缺陷，提供一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法来解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：本发明公开了一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法，其特征在于：具体步骤如下：
一、获取叶轮机械的有叶部件的三维几何模型；
二、在叶根和叶梢之间插入一组互不相交的回转曲面，每个曲面的回转轴与该叶轮机械的旋转轴重合；
三、根据叶片数，将每个回转曲面均分成多个单通道曲面；
四、将单通道曲面转换到一个二维平面上，得到一平面几何区域；
五、将平面区域划分为多个分区，并在每个分区上划分二维结构化网格；
六、将平面网格转换为曲面网格；
七、将各层曲面网格叠加在一起，连接相邻层中对应的网格节点，生成三维网格。
作为优选，所述的叶轮机械是指以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。
作为优选，所述的叶轮机械包括压缩机、鼓风机、燃气轮机、蒸汽轮机、水泵中的一种。
作为优选，有叶部件是指叶轮机械中以叶片为主体的工作部件。
作为优选，所述的有叶部件包括转子、静子、有叶扩压器。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明的用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法采用了三维层状分区结构化网格划分方法，用一系列回转曲面切割叶轮机械的有叶部件，生成多层单通道曲面，通过在单通道曲面上划分分区结构化网格，叠加生成三维结构化网格，操作比较方便，效率比较高，比较便于使用。
附图说明
图1为实施例1中的叶轮机械有叶部件三维几何结构示意图；
图2为实施例1中的多层回转曲面示意图；
图3为实施例1中的回转曲面切割叶片所得截面示意图；
图4为实施例1中的转换到平面上的单通道回转面上的网格结构示意图；
图5为实施例1中的转换成曲面后的单通道曲面网格；
图6为实施例1中的多层曲面网格叠加后得到的三维单通道网格。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：
实施例1
以斜流压缩机转子为例
如图 1-6 所示，本发明所述用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法的具体步骤如下：
步骤一、获取需划分网格的叶轮机械有叶部件的三维几何模型，如图1所示；
步骤二、在叶根和叶梢之间插入一组互不相交的回转曲面，如图2所示，每个曲面的回转轴与该叶轮机械的旋转轴重合，回转曲面与每片叶片表面的相交线均为一条封闭的三维曲线，如图3所示；
步骤三、设该有叶部件的叶片数是N，将每个回转曲面均分成N个三维曲面，即单通道曲面，每个单通道曲面包含一条叶片曲线；
步骤四、将单通道曲面转换到一个二维平面上，得到平面区域ABCD，如图4所示，在该平面上建立x-y直角坐标系，x坐标对应于回转轴方向，y坐标对应于回转圆周方向；
步骤五、需要划分网格的区域是由边界e1、e2、e3、e4和叶片边界e5围成的封闭平面区域，如图4所示，将该区域分为四个分区，分别为分区1至分区4。在每个分区中按图示方法划分二维结构化网格，并使相邻分区边界线ae、bf、cg、dh上的网格节点保持一致，
步骤六、将划分好网格的平面区域ABCD转换回原先的曲面，得到单通道曲面上的网格，如图5所示；
步骤七、将各层单通道曲面网格叠加在一起，连接相邻层中对应的网格节点，生成单通道计算域的三维网格，如图6所示。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法，其特征在于：具体步骤如下：
一、获取叶轮机械的有叶部件的三维几何模型；
二、在叶根和叶梢之间插入一组互不相交的回转曲面，每个曲面的回转轴与该叶轮机械的旋转轴重合，回转曲面与每片叶片表面的相交线均为一条封闭的三维曲线；
三、根据叶片数，将每个回转曲面均分成多个单通道曲面；
四、将单通道曲面转换到一个二维平面上，得到一平面几何区域；
五、将平面区域划分为多个分区，并在每个分区上划分二维结构化网格；
六、将平面网格转换为曲面网格；
七、将各层曲面网格叠加在一起，连接相邻层中对应的网格节点，生成三维网格。
2.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法，其特征在于：所述的叶轮机械是指以连续旋转叶片为本体，使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法，其特征在于：所述的叶轮机械包括压缩机、鼓风机、燃气轮机、蒸汽轮机、水泵中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法，其特征在于：有叶部件是指叶轮机械中以叶片为主体的工作部件。
5.根据权利要求1所述的一种用于叶轮机械有叶部件内部流道的网格划分方法，其特征在于：所述的有叶部件包括转子、静子、有叶扩压器。
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