CN111444582B - 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 (2)
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，所述的结构化网格为蝶形结构化网格；
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。
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