CN109408934A - 涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法 - Google Patents

涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法，属于航空发动机试验与验证技术领域。本发明提出的基于气动仿真技术的涡轮发动机整机准三维流动的虚拟数值试验方法，通过对发动机整机的合理区域划分，并对涡轮发动机整机准三维流动进行数值迭代计算，获得其稳态或瞬态流动规律，该方法可作为发动机试验台虚拟的数值模拟试验方法，通过数值试验，可获得涡轮发动机整机内流场的分布规律，从而掌握发动机整机气动性能。

Description

涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法
技术领域
本发明属于航空发动机试验与验证技术领域，具体涉及一种涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法。
背景技术
获得涡轮发动机整机流动规律主要途径有两种：一种是通过实物试验测取发动机整机流动规律；另一种是使用CFD仿真技术，通过计算机虚拟的数值试验获得发动机整机流动规律。采用CFD仿真技术的虚拟数值试验，可以节省研制的费用、成本，缩短研制周期，提高研制效率，避免研制风险。所以，自上个世纪八十年代起，CFD仿真技术兴起，陆续出现了各种商用的CFD软件系统，如FLUENT、CFX和NUMECA等。这些软件主要进行发动机零、部件一级或系统一级的流动计算，对发动机整机的全三维流动计算，但由于网格数量过于庞大，计算周期长，花费大，难以承受。而如果采用准三维流动计算，则大大简化问题，降低计算成本。现有的软件系统尚没有提供准三维流动(如在S2流面上)的气动建模能力，须对软件源代码进行改造，才可方便地建立起准三维气动模型，而这是软件用户无法做到的。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何设计一种涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法，包括以下步骤：
Step1.将发动机整机划分为四个子区域，包括进气道和风扇子区域、内涵道子区域、外涵道子区域，内、外涵道混合排气子区域；在每个子区域内，根据网格生成需要划分为一个或多个相互衔接的网格块，在进气道和风扇子区域，划分为一个网格块，覆盖整个子区；在内涵道子区域，划分为5个网格块，即轴流压气机网格块、斜流压气机网格块、斜流压气机的扩压器网格快、燃烧室网格块、高/低压涡轮及尾喷管网格块；在外涵道子区域，划分为一个网格块；在ND3内、外涵道混合排气子区域，划分为一个网格块；
Step2.输入网格生成用数据，包括发动机流道几何数据、叶片叶型几何数据，另外，输入发动机工作介质的物性参数、冷却信息、流场计算边界条件和流动损失系数，供后续流场求解使用；
Step3.根据Step2所输入的所有数据，分别生成各子区域网格块，各子区域网格块耦合连接，形成发动机整机准三维计算用气动网格模型；
Step4.选择一种整机初始流场生成方式，方式1：形成均匀分布的整机准三维初始流场；方式2：整机一维流场近似解作为准三维计算的初始流场；
Step5.使用Step2输入的流场计算边界条件和Step4获得的整机初始流场，调用Nigmatullin和Ivanov的准三维流动求解器求解，所述准三维流动求解器使用Godunov格式和隐式时间推进算法求解，获得整机准三维流场，从而获得发动机整机气动性能。
优选地，步骤Step3中气动网格模型是分区域生成的。
优选地，步骤Step3中，对叶片区域平均S2流面上的气动网格的生成方法包括如下步骤：
Step11.通过叶片前缘和尾缘的重构，获得正确的前缘和尾缘线；
Step12.对叶排做循环；
Step13.判断叶片是否为第一排，若是，则进入Step15；否则，进入步骤Step14；
Step14.将前排出口作为进口，获得进口边界在轮毂和机匣处的位置信息，进入Step16；
Step15.划分进口边界网格点，进入Step16；
Step16.判断叶片是否为最后一排，若是，则进入Step18；否则，进入步骤Step17；
Step17.求出叶排间中间线作为出口边界，并求出位置信息,进入Step19；
Step18.求出叶排出口边界位置信息；
Step19.划分叶排出口边界径向网格点；
Step110.将叶排区域分为三个子区：前部、中部和后部；
Step111.判断是否为第一排，若是，则进入步骤Step113；否则，进入步骤112；
Step112.判断是否自动控制后排网格？若是，进入Step114；否则，进入步骤Step113；
Step113.输入叶排中部区域的流向网格数，进入Step115；
Step114.自动求解后排流向网格数；
Step115.进行叶排不同区域轮毂和机匣上流向网格划分；
Step116.利用叶排区域轮廓线的网格点插值获得区域内部的网格点坐标；
Step117.判断叶排是否已循环至最后一排，若是，则结束；否则，返回到步骤Step13。
优选地，步骤Step4中，当选择方式1时，输入均匀流场分布数据；针对每个子区域，输入密度、轴向速度、径向速度、周向速度、静压以及燃油浓度参数，对准三维初始流场进行均匀流场设置，形成准三维计算的初始流场；当选择方式2时，使用Step2输入的物性参数、冷却信息、流场计算边界条件和流动损失系数，再输入整机一维流场的初始压力分布条件，在任意曲线坐标系，使用有限体积法求解一个带有源项的一维气体流动Euler方程组的方法，解出整机一维流场的近似解，作为准三维计算的整机初始流场。
优选地，所述内涵道子区域包括高压轴流压气机、斜流压气机、扩压器、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和尾喷管区域。
优选地，所述发动机为涡扇发动机。
(三)有益效果
本发明提出了一种基于气动仿真技术的涡轮发动机整机准三维流动的虚拟数值试验方法，通过对发动机整机的合理区域划分，并对涡轮发动机整机准三维流动进行数值迭代计算，获得其稳态或瞬态流动规律，该方法可作为发动机试验台虚拟的数值模拟试验方法，通过数值试验，可获得涡轮发动机整机内流场的分布规律，从而掌握发动机整机气动性能。
附图说明
图1是涡扇发动机整机轴对称剖面示意图；
图2是本发明的涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法流程图；
图3是本发明中叶片区域平均S2流面上气动网格的自动生成流程图；
图4是本发明中生成的发动机整机准三维流动(S2流面)的相对马赫数分布云图；
图5是本发明中生成的发动机整机准三维流动(S2流面)的总压分布云图；
图6是本发明中生成的发动机整机准三维流动(S2流面)的总温分布云图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明的试验对象为涡轮发动机(包括涡扇和涡喷发动机)。图1为涡扇发动机整机结构(若去掉风扇部分、外涵道部分及混合排气部分，则变为通常的涡喷发动机)，包括ND0区、ND1区、ND2区和ND3区。其中，ND0区(ABIE区域)为进气道和风扇区域；ND1区(EFGH区域)为内涵道部分，包括高压轴流压气机、斜流压气机、扩压器、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和尾喷管区域；ND2区(FIJG区域)为外涵道区域；ND3区(HJCD区域)为内、外涵道混合排气区域。
涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法的流程如下(以图1所示涡轮风扇发动机为例)：
Step1.将发动机整机划分为多个子区域(见图1)。在每个子区域内，根据网格生成需要划分为一个或若干个相互衔接的网格块。在ND0(进气道和风扇)区域，划分为一个网格块，覆盖整个子区；在ND1(内涵道)区域，划分为5个网格块，即轴流压气机网格块、斜流压气机网格块、斜流压气机的扩压器网格快、燃烧室网格块、高/低压涡轮及尾喷管网格块；在ND2(外涵道)区域，划分为一个网格块；在ND3(内、外涵道混合排气)区域，划分为一个网格块。
Step2.输入网格生成用数据，包括发动机流道几何数据、叶片叶型几何数据和网格设置控制参数数据。另外，输入发动机工作介质的物性参数、冷却信息、流场计算边界条件和流动损失系数，供后续流场求解使用。
Step3.根据step2所输入的数据，分别生成各子区域网格块，各子区域网格块耦合连接，形成发动机整机准三维计算用气动网格模型。
Step4.选择整机初始流场生成方式，方式1：形成均匀分布的整机准三维初始流场；方式2：整机一维流场近似解作为准三维计算的初始流场；当选择方式1时，输入均匀流场分布数据。针对每个区域，输入密度、轴向速度、径向速度、周向速度、静压以及燃油浓度参数，对准三维初始流场进行均匀流场设置，形成准三维计算的初始流场；当选择方式2时，使用Step2输入的物性参数、冷却信息、流场计算边界条件和流动损失系数，再输入整机一维流场的初始压力分布条件，在任意曲线坐标系，使用有限体积法求解一个带有源项的一维气体流动Euler方程组的方法，解出整机一维流场的近似解，作为准三维计算的整机初始流场。相对于方式1，方式2更有利于计算的收敛和效率。
Step5.使用Step2输入的流场计算边界条件和Step4获得的整机初始流场，再输入计算控制参数数据，调用Nigmatullin和Ivanov的准三维流动求解器求解，所述准三维流动求解器使用Godunov格式和隐式时间推进算法求解(.Nigmatullin R Z,Ivanov M J.Themathematical models of flow passage for gas turbine engines and theircomponents.AGARD Lecture Series LS 198,1994(4))，获得整机准三维流场，从而获得发动机整机气动性能。参数计算基于变比热条件。求解器可计算多转子、多级燃气轮机S2流面上的参数，包括各个部件：进气道、压气机、燃烧室、涡轮、加力燃烧室以及尾喷管等。能够进行稳态和瞬态的流场计算，并考虑冷气掺混以及压气机抽气等因素影响。求解器同时提供了9种空气冷却方式和8种损失形式。
气动网格模型是分区域生成的。图3给出了一个典型区域的网格生成流程--叶片区域网格生成流程。叶片区域网格生成比较特殊，需要在准三维的S2流面上生成，该流面为叶栅通道内的平均S2流面(流面分隔两部分流量相等)。本发明开发了一个叶片区域平均S2流面上的气动网格自动生成算法，算法的实现流程如下：
Step11.通过叶片前缘和尾缘的重构，获得正确的前缘和尾缘线；
Step12.对叶排做循环；
Step13.判断叶片是否为第一排，若是，则进入Step15；否则，进入步骤Step14；
Step14.将前排出口作为进口，获得进口边界在轮毂和机匣处的位置信息，进入Step16；
Step15.划分进口边界网格点，进入Step16；
Step16.判断叶片是否为最后一排，若是，则进入Step18；否则，进入步骤Step17；
Step17.求出叶排间中间线作为出口边界，并求出位置信息,进入Step19；
Step18.求出叶排出口边界位置信息；
Step19.划分叶排出口边界径向网格点；
Step110.将叶排区域分为三个子区：前部、中部和后部；
Step111.判断是否为第一排，若是，则进入步骤Step113；否则，进入步骤112；
Step112.判断是否自动控制后排网格，若是，进入Step114；否则，进入步骤Step113；
Step113.输入叶排中部区域的流向网格数，进入Step115；
Step114.自动求解后排流向网格数；
Step115.进行叶排不同区域轮毂和机匣上流向网格划分；
Step116.利用叶排区域轮廓线的网格点插值获得区域内部的网格点坐标；
Step117.判断叶排是否已循环至最后一排，若是，则结束；否则，返回到步骤Step13。
数值试验使用的数据文件的生成有两种方式实现，一种是把外部已形成的数据文件导入到本地指定路径处备用；另一种由界面数据输入以及文字编辑器编辑的数据文件保存后备用。数据文件包括整机流道的几何坐标文件(轮榖和机匣的坐标点文件)、叶片叶型坐标文件、工质物性参数文件、整机分区信息文件、冷却信息和流动损失系数文件等。
把求解器计算结果文件格式自动转换到Tecplot软件输入文件格式，自动生成Tecplot的输入文件，再通过运行Tecplot，显示出准三维流场分布曲线及云图，并可计算需要的发动机气动性能参数。图4为发动机S2流面的相对马赫数分布云图，图5为发动机S2流面的总压分布云图，图6为发动机S2流面的总温分布云图。
涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法中运行使用的数据和产生的数据均可存放在远端数据库服务器中，也可存放在本体存储器里保存和备用。
为了验证数值试验的可靠性，模块提供了数值试验与实物试验的对比验证功能，以给出数值试验精度的度量。该部分提供了实物试验数据的导入功能，并可选择数值试验的对应数据与其对比，形成对比曲线图，给出两者的相对误差大小。选择的对比数据曲线可以包括截面流量、截面速度、截面总温、截面总压、截面静压等。
本发明已在小型涡轮发动机上得到应用和试验验证。对于整机的气动性能参数(如压力、温度、压比、涡轮前温度、推力等)的数值试验精度大都在10％以下。当损失模型更精准时，可获得更高的精度。本发明适合发动机研制初期，没有实物样机或在详细设计阶段开始之前使用。主要可达到以下效果：
●可以不进行实物试验(包括部件试验和整机试验)，就可了解发动机整机(和各部件)的气动性能。在发动机研制初期，尽早发现潜在的整机设计缺陷和不合理的部件匹配设计，避免可能的设计风险；
●经实际应用证明，本发明的试验结果，满足发动机研制初期对整机设计的需求，对发动机整机气动性能设计和各部件的合理匹配及优化，具有重要的指导意义；
可节省研制费用，缩短研制周期，提高发动机的研制效率和研制质量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种涡轮发动机整机准三维流动虚拟数值试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
Step1.将发动机整机划分为四个子区域，包括进气道和风扇子区域、内涵道子区域、外涵道子区域，内、外涵道混合排气子区域；在每个子区域内，根据网格生成需要划分为一个或多个相互衔接的网格块，在进气道和风扇子区域，划分为一个网格块，覆盖整个子区；在内涵道子区域，划分为5个网格块，即轴流压气机网格块、斜流压气机网格块、斜流压气机的扩压器网格快、燃烧室网格块、高/低压涡轮及尾喷管网格块；在外涵道子区域，划分为一个网格块；在ND3内、外涵道混合排气子区域，划分为一个网格块；
Step2.输入网格生成用数据，包括发动机流道几何数据、叶片叶型几何数据，另外，输入发动机工作介质的物性参数、冷却信息、流场计算边界条件和流动损失系数，供后续流场求解使用；
Step3.根据Step2所输入的所有数据，分别生成各子区域网格块，各子区域网格块耦合连接，形成发动机整机准三维计算用气动网格模型；
Step4.选择一种整机初始流场生成方式，方式1：形成均匀分布的整机准三维初始流场；方式2：整机一维流场近似解作为准三维计算的初始流场；
Step5.使用Step2输入的流场计算边界条件和Step4获得的整机初始流场，调用Nigmatullin和Ivanov的准三维流动求解器求解，所述准三维流动求解器使用Godunov格式和隐式时间推进算法求解，获得整机准三维流场，从而获得发动机整机气动性能。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤Step3中气动网格模型是分区域生成的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤Step3中，对叶片区域平均S2流面上的气动网格的生成方法包括如下步骤：
Step11.通过叶片前缘和尾缘的重构，获得正确的前缘和尾缘线；
Step12.对叶排做循环；
Step13.判断叶片是否为第一排，若是，则进入Step15；否则，进入步骤Step14；
Step14.将前排出口作为进口，获得进口边界在轮毂和机匣处的位置信息，进入Step16；
Step15.划分进口边界网格点，进入Step16；
Step16.判断叶片是否为最后一排，若是，则进入Step18；否则，进入步骤Step17；
Step17.求出叶排间中间线作为出口边界，并求出位置信息,进入Step19；
Step18.求出叶排出口边界位置信息；
Step19.划分叶排出口边界径向网格点；
Step110.将叶排区域分为三个子区：前部、中部和后部；
Step111.判断是否为第一排，若是，则进入步骤Step113；否则，进入步骤112；
Step112.判断是否自动控制后排网格？若是，进入Step114；否则，进入步骤Step113；
Step113.输入叶排中部区域的流向网格数，进入Step115；
Step114.自动求解后排流向网格数；
Step115.进行叶排不同区域轮毂和机匣上流向网格划分；
Step116.利用叶排区域轮廓线的网格点插值获得区域内部的网格点坐标；
Step117.判断叶排是否已循环至最后一排，若是，则结束；否则，返回到步骤Step13。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤Step4中，当选择方式1时，输入均匀流场分布数据；针对每个子区域，输入密度、轴向速度、径向速度、周向速度、静压以及燃油浓度参数，对准三维初始流场进行均匀流场设置，形成准三维计算的初始流场；当选择方式2时，使用Step2输入的物性参数、冷却信息、流场计算边界条件和流动损失系数，再输入整机一维流场的初始压力分布条件，在任意曲线坐标系，使用有限体积法求解一个带有源项的一维气体流动Euler方程组的方法，解出整机一维流场的近似解，作为准三维计算的整机初始流场。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述内涵道子区域包括高压轴流压气机、斜流压气机、扩压器、燃烧室、高压涡轮、低压涡轮和尾喷管区域。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述发动机为涡扇发动机。
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