CN112131694A - 一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，是一种用于涡轮气冷叶片管道网络法的流体网络系统可视化方法，可用于将三维的拓扑连通网络映射到二维平面，生成二维的流体网络图。具体依据输入的涡轮叶片流体网络系统中各节流元件的连通关系、三维坐标等数据，自动规划节流元件及节点的二维绘图坐标，最终实现涡轮叶片流体网络的可视化。本发明提供的上述面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，可以实现涡轮气冷叶片管道网络法的流体网络图自动化绘制，提高管道网络法的效率，缩短涡轮叶片传热计算的周期，并且，生成的网络图中单元和节点排布整齐、连通关系准确，保证了网络图绘制精度。

Description

一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法

技术领域

本发明涉及信息技术领域，尤其涉及一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法。

背景技术

涡轮发动机广泛应用于航空、轮船以及大型工程车辆，涡轮前温度的提升是提高发动机推力的重要措施，而涡轮前温度容易受到涡轮叶片材料耐受性的限制，因此，精细化冷却空气、增强冷却气体对涡轮叶片的冷却效果，对提高涡轮发动机的效率有重要意义。

管道网络法是气冷涡轮叶片传热设计中最常用的方法。它是指将复杂的三维流动结构进行分割获得一系列符合设计要求的“流动单元”，将各单元使用节点进行连接，抽象为由功能原件与节点组成的拓扑网络系统，如图1所示。之后建立各个功能原件以及功能网络的控制方程，进而求解各个元件及节点处的各种物理参数。

为了方便设计人员分析网络的正确性，也为后续依据管网计算模型做准备，通常需要绘制流体网络图来辅助设计。而在工程实践中，设计人员需要人工绘制流体网络图，由于冷却结构复杂，绘制过程繁琐耗时，限制了管网计算的效率(方程组求解仅占总时间10％左右)。因此，如何实现流体网络图的自动化快速绘制，是本领域技术人员为提高管道网络法的效率亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，用以实现流体网络图的自动化快速绘制。

本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，包括如下步骤：

S1：启动UG，打开经体分解后的涡轮叶片实体模型，从中提取流动单元信息以及流动单元之间的三维拓扑连通信息，包括单元编号、单元三维坐标、单元是否连通、连通方向以及连通属性；其中，所述连通属性包括干路之间的连通、干路与支路之间的连通以及气膜孔连通；所述干路直接与涡轮叶片的入口建立连通关系，所述支路通过孔结构与涡轮叶片的入口建立连通关系；

S2：将提取的单元三维坐标投影在直角坐标系中的XOZ平面；

S3：设置一查找表对流动单元进行重新分类，分为直流路单元、转弯段单元、汇合单元和分流单元四类，分类的依据包括流动单元的类型以及流动单元和与该流动单元相邻的单元的连通关系；其中，所述直流路单元的入口和出口的气流方向一致，所述转弯段单元的入口和出口的气流方向相反，所述汇合单元具有多个入口和一个出口，所述分流单元具有一个入口和多个出口；

S4：根据所述连通关系获取所有位于所述连通关系起点处的干路起点单元，对所有的干路起点单元进行两两配对，判断配对的两个干路起点单元后续是否汇合于同一单元；若是，则配对的两个干路起点单元属于同一流道；若否，则配对的两个干路起点单元分属不同流道；

S5：对每一段流道中的干路起点单元的坐标进行赋值，判断每一段流道中干路起点单元的个数是否为1；若是，则以该干路起点单元在XOZ平面的投影坐标为规划坐标；若否，则以横坐标最小的干路起点单元的投影坐标作为基准，剩余干路起点单元以横坐标由小到大的顺序按预设间距排布在横坐标最小的干路起点单元的右侧；

S6：对干路主体单元的坐标进行赋值，以每个干路主体单元的入口单元的坐标为基准，综合考虑干路主体单元的流向和类型以及干路主体单元的入口单元的类型，从干路起点单元开始，设置干路主体单元规划表，依次对干路主体单元的后续单元的坐标进行赋值；其中，每个干路主体单元的入口单元为与该干路主体单元连通的前一个单元；所述干路主体单元规划表的第一行数据为本单元类型，第二行数据为上一单元类型，第三行数据为本单元与上一单元的相对位置关系，第四行数据为本单元与上一单元的坐标关系；本单元坐标由上一单元坐标、本单元与上一单元的相对位置关系以及本单元与上一单元的类型确定；

S7：支路单元包括非气膜孔单元和气膜孔单元；对于非气膜孔单元，根据支路单元的入口单元与非气膜孔单元间的相对位置关系，对非气膜孔单元的坐标进行赋值；对于气膜孔单元，查找气膜孔单元所附着的单元，并调整气膜孔单元所附着的单元和与气膜孔单元所附着的单元相邻的单元之间的间距，为气膜孔单元规划绘制区域；

S8：将所述转弯段单元置于与所述转弯段单元相邻的单元的中心位置，将各段流道的坐标进行调整，使各段流道的坐标并列排列，不再重叠；

S9：设置一个节点与流动单元的参照表，通过与节点相连的流动单元的坐标确定节点坐标，将流动单元之间的连通关系转换为节点与流动单元之间的连通关系；其中，流动单元之间用节点连接，节点代表流体状态，流动单元代表流体状态之间的变换方程；

S10：根据规划的节点坐标和流动单元坐标，以流动单元坐标为中心绘制方框代表流动单元，以节点坐标为中心绘制圆框代表节点；依据节点与流动单元之间的连通关系，将相连的节点和流动单元连接起来。

本发明提供的上述面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，是一种用于涡轮气冷叶片管道网络法的流体网络系统可视化方法，可用于将三维的拓扑连通网络映射到二维平面，生成二维的流体网络图。具体依据输入的涡轮叶片流体网络系统中各节流元件的连通关系、三维坐标等数据，自动规划节流元件及节点的二维绘图坐标，最终实现涡轮叶片流体网络的可视化。本发明提供的上述面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，可以实现涡轮气冷叶片管道网络法的流体网络图自动化绘制，提高管道网络法的效率，缩短涡轮叶片传热计算的周期，并且，生成的网络图中单元和节点排布整齐、连通关系准确，保证了网络图绘制精度。

附图说明

图1a为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法的原理图经三维流动结构分割后的示意图；

图1b为图1a的拓扑网络结构示意图；

图2为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法中流动单元拓扑数据投影到参考面的示意图；

图3为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法中流动单元分类流程图；

图4为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法中干路起点单元坐标规划示意图；

图5为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法中干路主体单元坐标规划示意图；

图6为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法中支路单元中的非气膜孔单元的坐标规划示意图；

图7a为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法中支路单元中的气膜孔单元的空间需求示意图；

图7b为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法中支路单元中的气膜孔单元的空间规划示意图；

图8为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法中转弯段单元的坐标调整示意图；

图9为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法中节点坐标规划示意图；

图10为本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法绘制的网络图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本发明。

本发明提供的一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，原理图如图1a和图1b所示，图1b为图1a的拓扑网络结构示意图；图1b中的方框表示流动单元，方框中的数字表示单元序号，圆圈表示节点，圆圈中的字母表示节点序号，箭头表示气体流动方向；图1a中的数字表示单元序号，字母表示节点序号，箭头表示气体流动方向；方法包括如下步骤：

第一步：从叶片模型中提取流动单元信息及流动单元间的连通关系。

启动UG，打开经体分解后的涡轮叶片实体模型，从中提取流动单元信息以及流动单元之间的三维拓扑连通信息，包括单元编号、单元三维坐标、单元是否连通、连通方向以及连通属性；其中，连通属性包括干路之间的连通、干路与支路之间的连通以及气膜孔连通；支路需要通过孔结构与涡轮叶片的入口建立连通关系，干路不需要通过孔结构而是直接与涡轮叶片的入口建立连通关系。

第二步：将提取的单元三维坐标投影到参考平面上。

坐标投影需要将一个三维坐标变换为一个二维坐标，为了方便分析和计算，投影平面的选择应使投影坐标不产生重合，这里选择直角坐标系中的XOZ平面，即Y＝0的平面，作为参考平面，如图2所示，图2中的圆点表示流动单元投影后的中心点，连线表示流动单元间的连通关系。

第三步：转换流动单元的类型。

由于在管网计算时流动单元分类的依据是流动单元内部所包含的典型冷却结构，而在绘制网络图时流动单元分类的依据是流动单元与相邻流动单元的相对位置以及连通关系，因此，在绘图前需要设置一查找表对流动单元进行重新分类，分类流程图如图3所示。具体地，可以分为直流路单元、转弯段单元、汇合单元和分流单元四类，分类的依据包括流动单元的类型以及该流动单元和与该流动单元相邻的单元的连通关系；其中，直流路单元的入口和出口的气流方向一致，转弯段单元的入口和出口的气流方向相反，汇合单元具有多个入口和一个出口，分流单元具有一个入口和多个出口。

第四步：流动单元的坐标规划。

该过程主要分为流道数判断、干路起点单元的坐标规划、干路主体单元的坐标规划、支路单元的坐标规划以及坐标整理五个过程。下面依次对这五个过程进行详细说明。

(1)流道数判断

根据连通关系获取所有位于连通关系起点处的干路起点单元，对所有的干路起点单元进行两两配对，判断配对的两个干路起点单元后续是否汇合于同一单元；若是，则配对的两个干路起点单元属于同一流道；若否，则配对的两个干路起点单元分属不同流道。

(2)干路起点单元的坐标规划

对每一段流道中的干路起点单元的坐标进行赋值，判断每一段流道中干路起点单元的个数是否为1；若是，则以该干路起点单元在XOZ平面的投影坐标为规划坐标；若否，则以横坐标最小的干路起点单元的投影坐标作为基准，除该干路起点单元外的剩余干路起点单元以横坐标由小到大的顺序按预设间距排布在横坐标最小的干路起点单元的右侧；如图4所示，图4中的两个方框表示干路起点单元。

(3)干路主体单元的坐标规划

对干路主体单元的坐标进行赋值，以每个干路主体单元的入口单元的坐标为基准，综合考虑干路主体单元的流向和类型以及干路主体单元的入口单元的类型，从干路起点单元开始，设置干路主体单元规划表，依次对干路主体单元的后续单元的坐标进行赋值，如图5所示，图5中的方框表示规划好的干路主体单元；其中，每个干路主体单元的入口单元为与该干路主体单元连通的前一个单元；干路主体单元规划表的第一行数据为本单元类型，第二行数据为上一单元类型，第三行数据为本单元与上一单元的相对位置关系，第四行数据为本单元与上一单元的坐标关系；本单元坐标由上一单元坐标、本单元与上一单元的相对位置关系以及本单元与上一单元的类型确定。

(4)支路单元的坐标规划

支路单元包括非气膜孔单元和气膜孔单元。支路单元的位置和主流道的位置没有关系，支路单元也不在主流道上，因此，支路单元必须有一个依附的干路单元。在对支路单元进行坐标规划时，需根据支路单元与其所依附的干路单元之间的连通关系，找出支路单元所依附的干路单元的编号和类型。对于非气膜孔单元，根据支路单元的入口单元与非气膜孔单元间的相对位置关系，对非气膜孔单元的坐标进行赋值，如图6所示，图6中的方框表示流动单元，左侧的虚线框表示支路单元，右侧的虚线框表示支路单元所依附的干路单元；对于气膜孔单元，由于气膜孔单元是附着在其他单元上的，在实际中并不单独占用空间，因此，需查找气膜孔单元所附着的单元，并调整气膜孔单元所附着的单元和与气膜孔单元所附着的单元相邻的单元之间的间距，为气膜孔单元规划绘制区域。气膜孔单元的空间需求和空间规划示意图分别如图7a和图7b所示，图7a中，方框表示气膜孔单元，方框中的数字表示单元序号，圆圈表示节点，圆圈中的数字表示节点序号，虚线框表示气膜孔的坐标规划范围，箭头表示气体流动方向；图7b所示，图7b中，方框表示气膜孔单元，虚线框表示规划的气膜孔单元，箭头表示把气膜孔单元向相邻单元方向移动。

(5)坐标整理

坐标整理分为两部分。一部分为在进行支路单元的坐标规划时，由于对干路间距进行调整会导致转弯段单元并非位于与转弯段单元相邻的单元的正中心位置，因此，需要重新将转弯段单元置于与转弯段单元相邻的单元的中心位置，如图8所示，图8中的方框表示流动单元，方框中的数字表示单元序号，箭头表示把转弯段单元10由实线方框位置调整到虚线方框位置(即中心位置)；另一部分为由于在定义干路起点单元的坐标时，以干路起点单元在参考平面上的投影坐标为基准，后续加入干路主体单元的坐标后，不同流道之间可能会发生重叠，因此，需要将各段流道的坐标进行调整，使各段流道的坐标并列排列，不再重叠。

第五步：节点的坐标规划

在流体网络图中，流动单元之间用节点连接，节点代表流体状态，流动单元代表流体状态之间的变换方程。与干路主体单元的坐标规划方式相同，需要设置一个节点与流动单元的参照表，通过与节点相连的流动单元的坐标确定节点坐标，将流动单元之间的连通关系转换为节点与流动单元之间的连通关系，如图9所示，图9中的方框表示流动单元，方框中的数字表示单元序号，圆圈表示节点，圆圈中的数字表示节点序号，箭头表示气体流动方向。

第六步：网络图绘制

根据规划的节点坐标和流动单元坐标，以流动单元坐标为中心绘制方框代表流动单元，以节点坐标为中心绘制圆框代表节点；依据节点与流动单元之间的连通关系，将相连的节点和流动单元连接起来，绘制的网络图如图10所示，图10中的箭头表示气体流动方向。

本发明提供的上述面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，是一种用于涡轮气冷叶片管道网络法的流体网络系统可视化方法，可用于将三维的拓扑连通网络映射到二维平面，生成二维的流体网络图。具体依据输入的涡轮叶片流体网络系统中各节流元件的连通关系、三维坐标等数据，自动规划节流元件及节点的二维绘图坐标，最终实现涡轮叶片流体网络的可视化。本发明提供的上述面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，可以实现涡轮气冷叶片管道网络法的流体网络图自动化绘制，提高管道网络法的效率，缩短涡轮叶片传热计算的周期，并且，生成的网络图中节点和单元排布整齐、连通关系准确，保证了网络图绘制精度。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.一种面向管道网络法的涡轮叶片流体网络可视化方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：启动UG，打开经体分解后的涡轮叶片实体模型，从中提取流动单元信息以及流动单元之间的三维拓扑连通信息，包括单元编号、单元三维坐标、单元是否连通、连通方向以及连通属性；其中，所述连通属性包括干路之间的连通、干路与支路之间的连通以及气膜孔连通；所述干路直接与涡轮叶片的入口建立连通关系，所述支路通过孔结构与涡轮叶片的入口建立连通关系；

S2：将提取的单元三维坐标投影在直角坐标系中的XOZ平面；

S3：设置一查找表对流动单元进行重新分类，分为直流路单元、转弯段单元、汇合单元和分流单元四类，分类的依据包括流动单元的类型以及流动单元和与该流动单元相邻的单元的连通关系；其中，所述直流路单元的入口和出口的气流方向一致，所述转弯段单元的入口和出口的气流方向相反，所述汇合单元具有多个入口和一个出口，所述分流单元具有一个入口和多个出口；

S4：根据所述连通关系获取所有位于所述连通关系起点处的干路起点单元，对所有的干路起点单元进行两两配对，判断配对的两个干路起点单元后续是否汇合于同一单元；若是，则配对的两个干路起点单元属于同一流道；若否，则配对的两个干路起点单元分属不同流道；

S5：对每一段流道中的干路起点单元的坐标进行赋值，判断每一段流道中干路起点单元的个数是否为1；若是，则以该干路起点单元在XOZ平面的投影坐标为规划坐标；若否，则以横坐标最小的干路起点单元的投影坐标作为基准，剩余干路起点单元以横坐标由小到大的顺序按预设间距排布在横坐标最小的干路起点单元的右侧；

S6：对干路主体单元的坐标进行赋值，以每个干路主体单元的入口单元的坐标为基准，综合考虑干路主体单元的流向和类型以及干路主体单元的入口单元的类型，从干路起点单元开始，设置干路主体单元规划表，依次对干路主体单元的后续单元的坐标进行赋值；其中，每个干路主体单元的入口单元为与该干路主体单元连通的前一个单元；所述干路主体单元规划表的第一行数据为本单元类型，第二行数据为上一单元类型，第三行数据为本单元与上一单元的相对位置关系，第四行数据为本单元与上一单元的坐标关系；本单元坐标由上一单元坐标、本单元与上一单元的相对位置关系以及本单元与上一单元的类型确定；

S7：支路单元包括非气膜孔单元和气膜孔单元；对于非气膜孔单元，根据支路单元的入口单元与非气膜孔单元间的相对位置关系，对非气膜孔单元的坐标进行赋值；对于气膜孔单元，查找气膜孔单元所附着的单元，并调整气膜孔单元所附着的单元和与气膜孔单元所附着的单元相邻的单元之间的间距，为气膜孔单元规划绘制区域；

S8：将所述转弯段单元置于与所述转弯段单元相邻的单元的中心位置，将各段流道的坐标进行调整，使各段流道的坐标并列排列，不再重叠；

S9：设置一个节点与流动单元的参照表，通过与节点相连的流动单元的坐标确定节点坐标，将流动单元之间的连通关系转换为节点与流动单元之间的连通关系；其中，流动单元之间用节点连接，节点代表流体状态，流动单元代表流体状态之间的变换方程；

S10：根据规划的节点坐标和流动单元坐标，以流动单元坐标为中心绘制方框代表流动单元，以节点坐标为中心绘制圆框代表节点；依据节点与流动单元之间的连通关系，将相连的节点和流动单元连接起来。

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