CN111444582A - 一种叶轮机械叶顶间隙cfd网格自动化生成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种叶轮机械叶顶间隙CFD网格自动化生成方法,与现有技术相比,具有以下优点:(1)采用结构化网格,数据结构简单,易于实施;(2)采用结构化网格,易于生成高质量的扁平状网格单元,在保证网格质量的前提下,大幅度降低网格单元数,提高计算速度;(3)如果相邻叶片之间的主流道区域采用与步骤4中相同的方式划分层状分区结构化网格,则主流道网格与叶顶间隙网格可以实现无缝对接,即两个区域交界面上的网格点可以一一对应,从而简化数据结构和CFD算法,提高计算速度。
Description
技术领域
本发明涉及三维空间结构化网格划分技术领域,具体来说是一种叶轮机械叶顶间隙CFD网格自动化生成方法。
背景技术
在叶轮机械的工作过程中,叶片式转动部件(如径流式压缩机、汽轮机的半开式叶轮,轴流式压缩机、汽轮机的动叶)的顶端与固定外壳(如径流式压缩机、汽轮机的轮盖,轴流式压缩机、汽轮机的机匣)的内表面之间存在高速的相对运动。为了适应叶片在离心力和温度变化作用下发生的变形,通常在叶片顶端与轮盖/机匣内表面之间保留一定的间隙。由于叶片的压力面和吸力面之间存在压力差,工作流体会通过叶顶间隙从高压侧向低压侧流动,称为泄漏流。
由于泄漏流的存在,一部分流体没有对叶片(或叶片没有对流体)做功,导致叶轮机械的工作效率降低。另一方面,泄漏流不仅在叶顶和轮盖/机匣之间产生粘性阻力,而且当泄漏流与叶片通道内的主流发生掺混后,会形成泄漏涡,对主流产生干扰。因此,泄漏流的存在会对流体机械的工作性能产生显著影响,泄漏流的计算是流体机械气动/水力计算的重要组成部分。
20世纪80年代以后,计算流体力学(CFD)开始被被广泛应用于叶轮机械内部流场的计算。目前叶轮机械分析中最常用的CFD计算方法是单排单通道三维定常流计算,该方法中最常用的计算网格是层状分区结构化网格。
在三维CFD计算中,如果将由叶顶间隙导致的泄漏流与叶片通道内的主流同时计算,可以更好地分析泄漏流与主流的相互作用,进而更准确地预测叶轮机械的工作性能。但由于叶顶间隙的高度非常小,叶片顶部与轮盖/机匣内表面之间形成的是一个不规则的三维薄片状区域,这给计算网格的生成造成了极大的困难。如何生成结构简单的高质量叶顶间隙网格是成功进行泄漏流-主流耦合CFD计算的关键所在。
基于此,我们需要研发一种高效、可靠的自动化叶顶间隙网格生成方法,以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的缺陷,提供一种高效、可靠的用于叶轮机械有叶部件单通道定常CFD计算的叶顶间隙网格自动化生成方法。
为了实现上述目的,本发明的技术方案如下:
一种叶轮机械叶顶间隙CFD网格自动化生成方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤S1:将叶片曲面自叶顶位置向轮盖/机匣方向光滑延伸,直至与轮盖/机匣内表面相交,形成叶顶延伸段;
步骤S2:在叶顶和轮盖/机匣内表面之间插入一组互不相交的回转曲面;
步骤S3:根据叶片数,将每个回转曲面均分成多个单通道曲面,并转换到一个二维平面上;
步骤S4:在转换平面上对叶片曲线外部区域生成分块结构化网格;
步骤S5:在转换平面上对叶片曲线内部空腔部分填充结构化网格,保证叶片曲线上的网格节点与外部网格一一对应,并对内、外网格进行整体优化;
步骤S6:将各层平面网格转换成三维曲面网格,并连接相邻层中对应的网格节点,形成三维立体网格。
作为优选,上述步骤S2中的回转曲面,每个曲面的回转轴与叶轮旋转轴重合。
作为优选,上述步骤S5中所述的结构化网格为蝶形结构化网格。
本发明的一种叶轮机械叶顶间隙CFD网格自动化生成方法,与现有技术相比,具有以下优点:
(1)采用结构化网格,数据结构简单,易于实施;
(2)采用结构化网格,易于生成高质量的扁平状网格单元,在保证网格质量的前提下,大幅度降低网格单元数,提高计算速度;
(3)如果相邻叶片之间的主流道区域采用与步骤4中相同的方式划分层状分区结构化网格,则主流道网格与叶顶间隙网格可以实现无缝对接,即两个区域交界面上的网格点可以一一对应,从而简化数据结构和CFD算法,提高计算速度。
附图说明
图1为本发明1 实施例中径流叶轮叶顶间隙示意图(子午面);
图2 实施例中径流叶轮叶顶间隙示意图(三维);
图3 实施例中径流叶轮叶片延伸段示意图;
图4 实施例中与叶片延伸段相交的回转曲面示意图;
图5 实施例中转换平面上的单层叶顶间隙网格示意图(填充叶片空腔前);
图6 实施例中转换平面上的单层叶顶间隙网格示意图(填充叶片空腔后);
图7 实施例中叶顶间隙网格三维示意图。
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
以径流式叶轮机械半开式叶轮为例,叶轮中每个叶片顶部与轮盖内表面存在间隙(图1、2)。本发明所述叶顶间隙网格生成方法的具体实施步骤如下:
步骤S1:将叶片曲面自叶顶位置向轮盖方向光滑延伸,直至与轮盖内表面相交,形成叶顶延伸段,如图3所示;
步骤S2:在叶顶和轮盖内表面之间插入一组互不相交的回转曲面,每个曲面的回转轴与叶轮旋转轴重合,回转曲面与叶片延伸段的相交线为一条封闭的三维叶片曲线,如图4所示;
步骤S3:根据叶片数,将每个回转曲面均分成多个单通道曲面,并转换到一个二维平面上;
步骤S4:在转换平面上对叶片曲线外部区域生成分块结构化网格,如图5所示;
步骤S5:在转换平面上对叶片曲线内部空腔部分填充蝶形结构化网格,保证叶片曲线上的网格节点与外部网格一一对应,并对内、外网格进行整体优化,如图6所示;
步骤S6:将各层平面网格转换成三维曲面网格,并连接相邻层中对应的网格节点,形成三维立体网格,如图7所示。
需要说明的是,本方案中的叶轮机械是指以连续旋转叶片为本体,使能量在工作流体与轴动力之间相互转换的动力机械。包括(但不限于)压缩机、鼓风机、通风机、汽轮机、水泵、水轮机、涡轮增压器等。
综上所述,本发明的一种叶轮机械叶顶间隙CFD网格自动化生成方法,与现有技术相比,具有以下优点:
(1)采用结构化网格,数据结构简单,易于实施;
(2)采用结构化网格,易于生成高质量的扁平状网格单元,在保证网格质量的前提下,大幅度降低网格单元数,提高计算速度;
(3)如果相邻叶片之间的主流道区域采用与步骤4中相同的方式划分层状分区结构化网格,则主流道网格与叶顶间隙网格可以实现无缝对接,即两个区域交界面上的网格点可以一一对应,从而简化数据结构和CFD算法,提高计算速度。
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 (3)
1.一种叶轮机械叶顶间隙CFD网格自动化生成方法,其特征在于:包括如下步骤:
步骤S1:将叶片曲面自叶顶位置向轮盖/机匣方向光滑延伸,直至与轮盖/机匣内表面相交,形成叶顶延伸段;
步骤S2:在叶顶和轮盖/机匣内表面之间插入一组互不相交的回转曲面;
步骤S3:根据叶片数,将每个回转曲面均分成多个单通道曲面,并转换到一个二维平面上;
步骤S4:在转换平面上对叶片曲线外部区域生成分块结构化网格;
步骤S5:在转换平面上对叶片曲线内部空腔部分填充结构化网格,保证叶片曲线上的网格节点与外部网格一一对应,并对内、外网格进行整体优化;
步骤S6:将各层平面网格转换成三维曲面网格,并连接相邻层中对应的网格节点,形成三维立体网格。
2.根据权利要求1所述的一种叶轮机械叶顶间隙CFD网格自动化生成方法,其特征在于:上述步骤S2中的回转曲面,每个曲面的回转轴与叶轮旋转轴重合。
3.根据权利要求1所述的一种叶轮机械叶顶间隙CFD网格自动化生成方法,其特征在于:上述步骤S5中所述的结构化网格为蝶形结构化网格。
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