CN112287580A - 一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法，包含计算网格模型设置和数值计算方法设置。计算网格模型设置和数值计算方法设置分别基于IGG/AutoGrid5和ANSYS/CFX两种不同的软件。两种不同软件之间通过网格转换器自编程序进行网格数据传递。整个计算流程集合了不同软件的优势，目的是为准确预测压气机喘振边界提供合适的网格模型和适合的数值计算方法。本发明提出的网格设置方法生成的网格质量高、网格节点数少，并综合考虑了某些压气机实际几何结构特征。本发明提出的数值设置方法不受压气机叶型构造型面不光顺的影响，鲁棒性较好，适用性广。本发明可以广泛应用于轴流压气机、轴流压缩机、轴流风机和轴流风扇等叶轮机械气动设计过程中。

Description

一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法，属于叶轮机械气动设计领域，可以广泛应用于轴流压气机、轴流压缩机、轴流风机和轴流风扇等叶轮机械气动设计过程中。

背景技术

压气机作为航空发动机及地面燃气轮机的核心部件之一，其稳定性好坏直接影响到发动机的安全运行。喘振作为压气机运行过程中极易出现的一种不稳定工况，危害极大。因此在设计过程中如何准确预测压气机喘振边界、避免压气机喘振发生就显得格外重要。

目前常用的压气机喘振边界预测方法大致可以归纳为3类：经验模型方法、三维数值计算方法和试验方法。通过试验方法获得的压气机喘振边界具有很高的可信度，然而压气机试验耗费周期长、花费巨大、所需试验装置复杂，很难在初始设计阶段广泛应用。相比试验方法来说，通过经验模型方法来预测压气机喘振边界可以说是十分简单、便捷。经验模型方法是一类基于压气机试验数据分析、用经验关系式而建立的压气机喘振边界预测方法。然而这类方法对设计者工程经验依赖度较高，要求设计者需要有较强的理论功底，要预测准，还需进行大量的试凑试验。同时这类方法往往忽略了压气机某些重要的几何参数如叶栅通道结构型式、叶型类别、叶栅负荷类型和叶栅几何参数沿径向变化等对压气机性能的影响，这也是制约该类方法预估精度和适用范围的主要瓶颈。近年来，随着计算机技术和计算流体动力学(CFD)的快速发展，三维数值计算方法也开始应用于压气机喘振边界预测，并取得了较好的进展。三维数值计算方法能够客观地、全面地反映压气机不同工况特性和内部流场，在压气机设计时，可以预估压气机性能，分析压气机设计存在的问题，并为优化设计提供依据。但由于受到湍流模型、网格质量、空间离散方法和计算周期等因素的限制，此方法在压气机设计中还难以得到广泛应用。本发明主要是解决这方面的问题，从而为准确计算压气机喘振边界提供合适的网格模型和数值计算方法。

发明内容

合适的网格往往是准确模拟一些复杂流动的关键，并不是网格数越多越好。网格数量越多，往往使计算得到的压气机效率较试验结果偏高，且网格数量越多，对于多级压气机来说，还将面临计算难度大、不容易收敛等问题。为解决长期困扰叶轮机械气动设计者不能准确预测压气机喘振边界的问题，本发明提出了一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：准备叶栅几何数据文件；

步骤二：将叶栅几何数据文件导入IGG/AutoGrid5网格生成前处理软件；

步骤三：生成结构化网格，在网格生成过程中考虑叶栅端部间隙及倒角、压气机放\引气、静叶端部气封间隙泄漏和串联叶栅的结构影响因素；

步骤四：网格转换将生成的网格导入到ANSYS/CFX软件中进行求解，为实现两种不同软件之间数据传递及互联互通，通过自编程序将IGG/AutoGrid5生成的网格文件转换成CFX可以识别的计算文件；

步骤五：导入数值计算求解器，进行数值计算，湍流模型采用k-ε湍流模型加Scalable壁面函数，从而适应不同y⁺变化；

步骤六：导入后处理器，对生成的压气机网格进行数值计算和结果分析，从而可以快速地为压气机优化设计提供参考。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.：步骤三具体包括：叶栅拓扑结构使用O4H型网格，叶栅近表面采用O型正交贴体网格块，叶栅表面外围则由4个H型网格块组成；列叶栅由两个O4H型网格块衔接而成，前、后列叶栅网格交接面上网格划分保持一致；叶栅通道两侧采用完全匹配周期性网格；在动叶根部、部分静叶端部还可以建立倒角网格，在动叶顶部及悬臂静叶顶部建立了间隙网格；倒角网格在径向方向采用了9层网格；叶顶间隙采用了O/H型网格拓扑结构，由一个H型和一个O型网格组成，其中在径向方向采用了9层网格，外层O型网格采用了5层网格；叶顶间隙的网格线采用了和叶片表面相同的网格节点分布；放\引气口网格选择H型网格；静叶端部气封槽道网格采用多块H型网格；在静叶入口和出口处各增加了一个H型网格段；静叶端部气封槽道网格与叶栅通道交接面上网格划分保持一致；静叶端部气封槽道两侧采用完全匹配周期性网格。

2.步骤五具体是：选择k-ε两方程湍流模型具有较好的适用性，对流项采用二阶高紧致格式，湍流项采用一阶精度；计算工质基于理想气体，定压比热采用零压力多项式，计算公式如下：

式中：C_p为定压比热，单位J/(kg·K)；R_g为空气比气体常数；

进口边界条件按根据实际情况给定，出口给定静压；进口湍流分数强度按0.02，湍流长度尺度按3mm；对各列叶栅通道网格、放\引气口网格和静叶端壁气封槽道网格两侧施加完全匹配周期性边界条件；各固体壁面给定绝热无滑移边界条件；转子转速依据转速特型线给定；各列叶栅转静交接面采用Stage模式；静叶端壁气封槽道交界面采用冻结转子法；放\引气口根据机组实际运行情况给定流量边界条件；通常压气机静叶端壁气封静态安装间隙在0.3～0.35mm范围内，冻结转子交接面通过的流量按压气机进口流量的0.3％进行设定；

计算物理时间步长在0.001～0.1之间选择；初始计算时可以选择较小时间步，计算过程中根据收敛性，可适当增大时间步长；从较低的出口背压开始计算，通过不断增加背压，逐渐向近喘点推进，以出现数值发散作为压气机喘振的标准，得到压气机喘振边界。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：为了提供合适的网格模型和数值计算方法，本发明提出的计算方法基于IGG/AutoGrid5前处理器和ANSYS/CFX求解器两种不同的软件。本发明提出的方法集合了两种不同软件的优势，目的是为准确预测压气机喘振边界提供合适的网格模型和适合的数值计算方法。两种不同软件之间通过网格转换器自编程序进行网格数据传递。计算过程中所生成的网格质量高、网格节点数少，并综合考虑了某些压气机实际几何结构特征，如：叶根倒角、叶顶间隙、放\引气结构、静叶端部密封结构和串列叶栅等。计算过程中所采用的数值方法不受压气机叶型构造型面不光顺的影响，鲁棒性较好，适用性广。

相比以往的压气机喘振边界计算方法，本发明提出的基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法不依赖于人工经验、简单易用，具有计算时间短、计算准确度高等特点，可以快速地为压气机优化设计提供参考，从而可以降低压气机设计风险，提高设计质量。

附图说明

图1本发明的计算流程图；

图2是通用的压气机叶片排网格拓扑结构框图；

图3是B2B网格设置示意图；

图4是串列叶栅网格设置示意图；

图5是倒角和叶顶间隙网格设置示意图；

图6是放\引气结构网格设置示意图；

图7是带端壁密封结构的静叶网格设置示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图7，本发明的一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法，主要包含两部分：计算网格模型设置(即前处理设置)和数值计算方法设置(即求解器设置)。计算网格模型设置和数值计算方法设置基于IGG/AutoGrid5和ANSYS/CFX两种不同的软件。两种不同软件之间通过网格转换器自编程序进行网格数据传递。整个计算流程集合了不同软件的优势，目的是为准确预测压气机喘振边界提供合适的网格模型和适合的数值计算方法。

所述的计算网格模型设置，生成网格质量高、网格节点数少，并综合考虑了某些压气机实际几何结构特征，如：叶根倒角、叶顶间隙、放\引气结构、静叶端部密封结构和串列叶栅等。

所述的数值计算方法设置，不受压气机叶型构造型面不光顺的影响，鲁棒性较好，适用性广。

所述的计算方法，两种不同商业软件之间通过自编程序实现互通，将前处理器生成的网格文件转换成求解器可以识别的计算文件。

所述的计算网格模型设置，对放\引气结构进行合理简化，将压气机通常采用的机匣或轮毂开设圆孔的放\引气结构方式，简化为全周开缝式环状放\引气方式。这样的简化即满足数值计算要求，又不带来数值计算难度。

所述的计算网格模型设置，对静叶端部气封结构进行合理简化，将压气机通常采用的篦齿型密封和蜂窝-篦齿组合密封等结构简化为采用代数法来替代槽道内气封实际流动。通过冻结转子交接面流经的质量流量来表征气封槽道间隙泄漏流量。

整个数值计算方法流程如图1所示。首先准备叶栅几何数据文件，建议模型采用m作为单位，这样做法不仅可以提高叶型数据精度，还可以使计算鲁棒性比较好，在计算过程中可以使用较大的时间步长，而不至于使计算发散。

将叶栅几何数据文件导入IGG/AutoGrid5网格生成前处理软件。对于以m为单位的几何模型，对应的网格壁面尺度取3×10-5m。保证叶片表面、轮毂和机匣壁面附近的y+值在50～200理想范围内。这样的设置可以消除因几何模型误差对数值计算带来的影响以及提高计算的鲁棒性。

为了能更好地模拟实际压气机工作状态，在网格生成过程中考虑了叶栅端部间隙及倒角、压气机放\引气、静叶端部气封间隙泄漏和串联叶栅等结构影响因素。在设计初始阶段可以暂时只考虑叶栅端部间隙及倒角等几何结构。如图2所示，主要从子午流面网格分布和B2B网格分布等几个方面来控制网格总数和网格质量。各列叶栅径向网格数取41～49左右。在生成各列叶栅网格时，需保证各列叶栅展向网格分布相近，这样能够保证计算过程中交界面展向网格的插值精度。图2中箭头表示可以根据实际情况及网格质量对网格节点数进行下、下微调。各列叶栅计算域网格数选择原则为：中间各列叶栅计算域网格数约为7-15万左右，进口叶栅段的网格数取中间列叶栅网格数的1～2倍左右，出口叶栅段的网格总数取中间列叶栅网格数的2～3倍左右。最终生成的网格要求最小正交性大于10°，最大网格长宽比小于1000，最大网格延展比小于5，展向网格偏转角小于60°，以避免网格畸变及网格线过度扭曲。所生成的网格还不能存在负网格，否则将无法进行计算。

图3为叶栅B2B网格设置模板。叶栅拓扑结构使用O4H型网格，叶栅近表面采用O型正交贴体网格块，叶栅表面外围则由4个H型网格块组成。这样的网格拓扑设置可以大幅提高叶栅网格正交性，减少叶片前、后缘附近的网格畸变。为了提高计算精度，在计算域的周期边界上构造了完全匹配周期性网格。由于压气机各级叶片叶形变化较大，网格在生成时，可以对其中一列叶栅网格进行精细设置，然后以此为模板生成其它各列网格，从而保证网格生成能顺利进行。

图4为串列叶栅网格拓扑结构。串列叶栅常见于航空发动机或地面燃气轮机压气机末级中。相比单个普通叶片，串列叶栅方案能有效降低叶栅稠度便于叶片的安装，同时还能减少叶栅气流堵塞降低叶栅损失。串列叶栅由两个O4H型网格块衔接而成，因此串列叶栅网格节点总数要比单列叶片的网格节点总数多。前、后列叶栅网格交接面上网格划分保持一致。叶栅通道两侧采用完全匹配周期性网格。在网格设置时，还需要注意要保证前、后列叶栅沿流向方向的网格节点数一致。

为保证数值计算的准确性，根据实际情况，在动叶根部、部分静叶端部还可以建立倒角网格，在动叶顶部及悬臂静叶顶部建立了间隙网格，如图5所示。倒角网格在径向方向采用了9层网格。叶顶间隙采用了O/H型网格拓扑结构，由一个H型和一个O型网格组成，其中在径向方向采用了9层网格，外层O型网格采用了5层网格。叶顶间隙的网格线采用了和叶片表面相同的网格节点分布。

为满足发动机的安全运行，需要从压气机的不同级进行放\引气，用于发动机的起动、高温部件冷却、间隙结构密封以及为附属设备提供高压环境等。压气机放\引气结构通常采用机匣或轮毂开设圆孔的方式进行放\引气。为简化计算，将压气机真实放\引气结构简化为全周开缝式环状放\引气方式。图6为考虑实际放\引气而建立网格局部视图。放\引气口网格选择H型网格。为使计算稳定，在叶栅通道进口或出口增加一个H型网格段。放\引气口与叶栅通道交接面上网格划分保持一致。放\引气口两侧采用完全匹配周期性网格。根据放\引气口尺寸及放气量大小，抽\引气口网格数通常在1～2万左右。对抽\引气口四周端壁网格进行了适当的加密处理，抽\引气口壁面网格尺度近似取叶栅主流区壁面网格尺度的1/3。

静叶端部气封间隙泄漏是存在于压气机静叶端部区域的一种比较典型的复杂流动。只要静叶端部间隙存在，无论采取什么样的封严措施，都难以完全消除泄漏流的影响。在压气机中静叶端部气封结构型式有很多种，常用的如篦齿型密封和蜂窝-篦齿组合密封等结构。为了便于网格生成，本发明对静叶端部实际气封结构进行了适当简化，采用代数法来替代气封槽道实际流动，如图7所示。通过冻结转子交接面流经的质量流量来表征气封槽道间隙泄漏流量。静叶端部气封槽道网格采用多块H型网格。为了使计算稳定，在静叶入口和出口处各增加了一个H型网格段。静叶端部气封槽道网格与叶栅通道交接面上网格划分保持一致。静叶端部气封槽道两侧采用完全匹配周期性网格。对气封槽道网格四周端壁网格进行了适当的加密处理，静叶端部气封壁面网格尺寸尺度近似取叶栅主流区壁面网格尺度的1/3。端壁气封网格数控制在5～8万网格。

将生成的网格导入到ANSYS/CFX软件中进行求解。由于前处理器和求解器采用的不是同一家软件公司产品，因此两软件之间缺少数据接口，前者生成的网格边界条件无法被后者读取。为了实现两种不同软件之间数据传递及互联互通，通过自编程序将IGG/AutoGrid5生成的网格文件转换成CFX可以识别的计算文件。

其次进行数值方法设置。湍流模型采用k-ε湍流模型加Scalable壁面函数，从而适应不同y⁺变化。不同的湍流模型各有其优缺点。对于级数较少的压气机来说，无论采用何种湍流模型，各计算结果偏差不大。对于级数较多的压气机，由于级间影响比较严重，如果采用对流场细节捕捉能力较强的湍流模型，会带来级数越多计算误差越大的问题。在大量试验及计算结果的基础上，选择k-ε两方程湍流模型具有较好的适用性。对流项采用二阶高紧致(High Resolution)格式，湍流项采用一阶精度。计算工质基于理想气体，定压比热采用零压力多项式(Zero Pressure Polynomial)。计算公式如下：

式中：C_p为定压比热，单位J/(kg·K)；R_g为空气比气体常数，为287J/(kg·K)。

进口边界条件按根据实际情况给定，出口给定静压。进口湍流分数强度按0.02，湍流长度尺度按3mm。对各列叶栅通道网格、放\引气口网格和静叶端壁气封槽道网格两侧施加完全匹配周期性边界条件。各固体壁面给定绝热无滑移边界条件。转子转速依据转速特型线给定。各列叶栅转静交接面采用Stage模式。静叶端壁气封槽道交界面采用冻结转子法。放\引气口根据机组实际运行情况给定流量边界条件。通常压气机静叶端壁气封静态安装间隙在0.3～0.35mm范围内，冻结转子交接面通过的流量按压气机进口流量的0.3％进行设定。

计算物理时间步长在0.001～0.1之间选择。初始计算时可以选择较小时间步，计算过程中根据收敛性，可以适当增大时间步长。从较低的出口背压开始计算，通过不断增加背压，逐渐向近喘点推进，以出现数值发散作为压气机喘振的标准，得到压气机喘振边界。

最后根据数值设置方法，对生成的压气机网格进行数值计算和结果分析，从而可以快速地为压气机优化设计提供参考。

综上，一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法，主要包含两大部分：计算网格模型设置(即前处理设置)和数值计算方法设置(即求解器设置)。计算网格模型设置和数值计算方法设置分别基于IGG/AutoGrid5和ANSYS/CFX两种不同的软件。两种不同软件之间通过网格转换器自编程序进行网格数据传递。整个计算流程集合了不同软件的优势，目的是为准确预测压气机喘振边界提供合适的网格模型和适合的数值计算方法。本发明提出的网格设置方法生成的网格质量高、网格节点数少，并综合考虑了某些压气机实际几何结构特征，如：叶根倒角、叶顶间隙、放\引气结构、静叶端部密封结构和串列叶栅等。本发明提出的数值设置方法不受压气机叶型构造型面不光顺的影响，鲁棒性较好，适用性广。本发明可以广泛应用于轴流压气机、轴流压缩机、轴流风机和轴流风扇等叶轮机械气动设计过程中。

Claims (3)

1.一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法，其特征在于：步骤如下：

步骤一：准备叶栅几何数据文件；

步骤二：将叶栅几何数据文件导入IGG/AutoGrid5网格生成前处理软件；

步骤三：生成结构化网格，在网格生成过程中考虑叶栅端部间隙及倒角、压气机放\引气、静叶端部气封间隙泄漏和串联叶栅的结构影响因素；

步骤四：网格转换将生成的网格导入到ANSYS/CFX软件中进行求解，为实现两种不同软件之间数据传递及互联互通，通过自编程序将IGG/AutoGrid5生成的网格文件转换成CFX可以识别的计算文件；

步骤五：导入数值计算求解器，进行数值计算，湍流模型采用k-ε湍流模型加Scalable壁面函数，从而适应不同y⁺变化；

步骤六：导入后处理器，对生成的压气机网格进行数值计算和结果分析，从而可以快速地为压气机优化设计提供参考。

2.根据权利要求1所述的一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法，其特征在于：步骤三具体包括：叶栅拓扑结构使用O4H型网格，叶栅近表面采用O型正交贴体网格块，叶栅表面外围则由4个H型网格块组成；列叶栅由两个O4H型网格块衔接而成，前、后列叶栅网格交接面上网格划分保持一致；叶栅通道两侧采用完全匹配周期性网格；在动叶根部、部分静叶端部还可以建立倒角网格，在动叶顶部及悬臂静叶顶部建立了间隙网格；倒角网格在径向方向采用了9层网格；叶顶间隙采用了O/H型网格拓扑结构，由一个H型和一个O型网格组成，其中在径向方向采用了9层网格，外层O型网格采用了5层网格；叶顶间隙的网格线采用了和叶片表面相同的网格节点分布；放\引气口网格选择H型网格；静叶端部气封槽道网格采用多块H型网格；在静叶入口和出口处各增加了一个H型网格段；静叶端部气封槽道网格与叶栅通道交接面上网格划分保持一致；静叶端部气封槽道两侧采用完全匹配周期性网格。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法，其特征在于：步骤五具体是：选择k-ε两方程湍流模型具有较好的适用性，对流项采用二阶高紧致格式，湍流项采用一阶精度；计算工质基于理想气体，定压比热采用零压力多项式，计算公式如下：

式中：C_p为定压比热，单位J/(kg·K)；R_g为空气比气体常数；

进口边界条件按根据实际情况给定，出口给定静压；进口湍流分数强度按0.02，湍流长度尺度按3mm；对各列叶栅通道网格、放\引气口网格和静叶端壁气封槽道网格两侧施加完全匹配周期性边界条件；各固体壁面给定绝热无滑移边界条件；转子转速依据转速特型线给定；各列叶栅转静交接面采用Stage模式；静叶端壁气封槽道交界面采用冻结转子法；放\引气口根据机组实际运行情况给定流量边界条件；通常压气机静叶端壁气封静态安装间隙在0.3～0.35mm范围内，冻结转子交接面通过的流量按压气机进口流量的0.3％进行设定；

计算物理时间步长在0.001～0.1之间选择；初始计算时可以选择较小时间步，计算过程中根据收敛性，可适当增大时间步长；从较低的出口背压开始计算，通过不断增加背压，逐渐向近喘点推进，以出现数值发散作为压气机喘振的标准，得到压气机喘振边界。

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