CN112487734B - 一种空气系统结构cfd数值仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种空气系统结构CFD数值仿真方法，其中，空气系统结构中的篦齿结构位于计算域出口，包括如下步骤：步骤一、获取篦齿单元流阻特性；步骤二、简化CFD模型篦齿结构；步骤三、将流阻特性公式输入为流量出口边界条件；步骤四、流阻特性公式变量参与全计算域CFD迭代计算，获取收敛的数值仿真结果。本申请的空气系统结构CFD数值仿真方法，用篦齿流阻特性替代了篦齿封严结构局部CFD仿真，避免了篦齿结构局部精细网格的生成，可大幅度缩减网格量，节省计算成本，提高计算效率；另外，能够确保篦齿泄露量计算结果的准确性，进而能够保证空气系统腔室中流场数值仿真结果的准确性。

Description

一种空气系统结构CFD数值仿真方法
技术领域
本申请属于航空发动机设计技术领域，特别涉及一种空气系统结构CFD数值仿真方法。
背景技术
空气系统作为航空发动机的重要系统之一，能够起到发动机内部工作环境和附件装置冷却、轴承腔封严隔热、防止热燃气吸入涡轮盘腔、控制转子轴向载荷等功能，保障发动机的安全高效运行。由于空气系统结构本身的复杂性和计算机资源的限制，空气系统的工程设计和计算通常采用一维模型简化处理。但是，通过一维模型完成实际三维结构的空气系统设计计算，难以避免存在误差，需要使用CFD技术对空气系统局部结构的流动和换热特性进行详细分析，并根据分析结果对一维模型进行校准和完善。因此，高可信度的CFD数值仿真是空气系统设计中十分重要的手段。
空气系统能够通过对流路中封严篦齿、孔、预旋喷嘴等节流单元的合理设计和布局来组织气流，从而实现如前所述的空气系统功能。目前节流效果最好的常用节流单元之一就是篦齿封严结构。作为节流单元，篦齿封严结构的尺寸与其周边的空气系统腔室相比十分微小，通常情况下，篦齿齿尖间隙实际尺寸在0.1毫米量级，而空气系统腔室尺寸在几十到几百毫米不等，这就为CFD数值模拟带来了困难：若在篦齿封严结构处生成精细网格进行数值模型，由于网格疏密程度需要平缓过渡，整个计算域中的网格量将会过大，导致计算量难以承受；若为了缩减计算量而放宽格尺度，则会损失篦齿封严结构局部数值仿真的精度，影响篦齿泄露量等关键参数的准确性，进而影响空气系统腔室中流场数值仿真结果的准确性。
综上，在现有的空气系统结构CFD数值仿真过程中，通常将结构尺寸较小的篦齿封严结构和与其相连的尺寸较大的空气系统腔室作为一个整体，建立计算域、生成网格并开展CFD数值仿真。但是，该技术的不足主要体现在如下两个方面：
1)计算结果精确度和计算量之间的矛盾难以调和：若生成精细网格以确保篦齿封严结构局部数值模拟结果的准确性，则会导致整个计算域中的网格量过大，计算量难以承受；若放宽格尺度，则难以得到准确的篦齿泄露量等篦齿封严结构关键参数，导致空气系统腔室中流场的数值仿真结果准确性受到直接影响；
2)将结构尺寸较小的篦齿封严结构和尺寸较大的空气系统腔室作为一个计算域整体生成网格，由于网格疏密性需要平缓过渡，则会在无需精细分析的位置生成相对细致的网格，平白增加了计算成本，降低了计算效率。
发明内容
为了解决上述技术问题至少之一，本申请提供了一种空气系统结构CFD数值仿真方法。
本申请公开了一种空气系统结构CFD数值仿真方法，其中，空气系统结构中的篦齿结构位于计算域出口，所述空气系统结构CFD数值仿真方法包括如下步骤：
步骤一、获取篦齿结构中篦齿单元流阻特性公式；
步骤二、简化CFD模型篦齿结构，生成满足空气系统腔室流场数值仿真精度要求的较为稀疏的计算网格；
步骤三、将CFD计算域中原篦齿单元所在出口的边界条件设置为流量出口，并将步骤一中确定的流阻特性公式输入到出口边界条件中，此时，流阻特性公式中的质量流量作为因变量赋为流量出口边界，流阻特性公式中的篦齿单元进口压力为自变量，篦齿单元出口压力为给定的篦齿单元出口环境压力；
步骤四、在CFD计算域中原篦齿单元进口位置建立截面，提取其截面平均压力，并与步骤三中的流阻特性公式中的篦齿单元进口压力挂钩，再开展全计算域的CFD迭代计算，使篦齿流阻特性公式的自变量和因变量自动参与迭代，获取收敛的数值仿真结果。
根据本申请的至少一个实施方式，在所述步骤一中，是通过基础模型流量特性试验或水力摩阻手册或基础模型CFD仿真计算方式确定篦齿结构的流阻特性。
根据本申请的至少一个实施方式，所述步骤二，简化CFD模型篦齿结构包括将篦齿简化为环缝结构。
本申请至少存在以下有益技术效果：
1)本申请用篦齿流阻特性替代了篦齿封严结构局部CFD仿真，避免了篦齿结构局部精细网格的生成，可大幅度缩减网格量，节省计算成本，提高计算效率；
2)本申请能够确保篦齿泄露量计算结果的准确性，进而能够保证空气系统腔室中流场数值仿真结果的准确性。
附图说明
图1是本申请空气系统结构CFD数值仿真方法流程图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
本申请提出了一种在CFD模型中简化考虑篦齿流阻特性的工程方法，用经可靠途径获取的篦齿流阻特性替代篦齿封严结构局部CFD仿真，确保了篦齿泄露量计算结果的准确性，进而保证了空气系统腔室中流场数值仿真结果的准确性。所解决的技术问题如下：
1)本申请在保证空气系统结构数值仿真结果准确性的前提下，无需生成用于求解篦齿封严结构周边区域的精细网格，解决了计算结果精确度和计算量之间的矛盾；
2)使用本申请中的方法开展CFD计算时，仅需生成适用于大尺寸空气系统腔室的网格，网格量较小，可大幅度节省计算成本，提高计算效率。
下面结合附图1对本申请的空气系统结构CFD数值仿真方法做进一步详细说明。
本申请方法流程如图1所示。需要说明的是，使用篦齿单元流阻特性公式替代篦齿结构CFD计算的方法，可以保证篦齿泄露量的准确性，但无法模拟篦齿结构局部的流场，因而篦齿下游流场的数值仿真结果准确性会受到影响。因此本申请仅适用于篦齿位于计算域出口的空气系统结构。
具体的，本申请空气系统结构CFD数值仿真方法包括如下步骤：
步骤一、获取篦齿单元流阻特性。
通过基础模型流量特性试验、水力摩阻手册或基础模型CFD仿真计算等方式确定篦齿结构的流阻特性，即确定篦齿泄露量和篦齿进出口压比之间的函数公式；
步骤二、简化CFD模型篦齿结构。
将空气系统结构中的篦齿简化为环缝等简单结构，生成满足空气系统腔室流场数值仿真精度要求的较为稀疏的计算网格。
步骤三、将流阻特性公式输入为流量出口边界条件。
将CFD计算域中原篦齿单元所在出口的边界条件设置为流量出口，并将步骤一中确定的流阻特性公式输入到出口边界条件中，即，将流阻特性公式中的质量流量作为因变量赋为流量出口边界。此时，流阻特性公式中的篦齿单元进口压力为自变量，篦齿单元出口压力为人为给定的篦齿单元出口环境压力。
步骤四、流阻特性公式变量参与全计算域CFD迭代计算。
在计算域中原篦齿单元进口位置建立截面，提取其截面平均压力，并与步骤三中的篦齿单元进口压力挂钩。在此基础上开展全计算域的CFD迭代计算，使篦齿流阻特性公式的自变量(篦齿单元进口压力)和因变量(质量流量)自动参与迭代，获取收敛的数值仿真结果。
即本申请的空气系统结构CFD数值仿真方法是，在三维CFD数值仿真计算中引入一维函数公式的方法，以及将一维函数的自变量、因变量内置于CFD数值仿真模型中，自动参与全计算域迭代计算的方法。
综上，本申请的空气系统结构CFD数值仿真方法的有益效果如下：
1)本申请用篦齿流阻特性替代了篦齿封严结构局部CFD仿真，避免了篦齿结构局部精细网格的生成，可大幅度缩减网格量，节省计算成本，提高计算效率；
2)本申请能够确保篦齿泄露量计算结果的准确性，进而能够保证空气系统腔室中流场数值仿真结果的准确性。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种空气系统结构CFD数值仿真方法，其中，空气系统结构中的篦齿结构位于计算域出口，其特征在于，所述空气系统结构CFD数值仿真方法包括如下步骤：
步骤一、获取篦齿结构中篦齿单元流阻特性公式；
步骤二、简化CFD模型篦齿结构，生成满足空气系统腔室流场数值仿真精度要求稀疏的计算网格；
步骤三、将CFD计算域中原篦齿单元所在出口的边界条件设置为流量出口，并将步骤一中确定的流阻特性公式输入到出口边界条件中，此时，流阻特性公式中的质量流量作为因变量赋为流量出口边界，流阻特性公式中的篦齿单元进口压力为自变量，篦齿单元出口压力为给定的篦齿单元出口环境压力；
步骤四、在CFD计算域中原篦齿单元进口位置建立截面，提取其截面平均压力，并与步骤三中的流阻特性公式中的篦齿单元进口压力挂钩，再开展全计算域的CFD迭代计算，使篦齿流阻特性公式的自变量和因变量自动参与迭代，获取收敛的数值仿真结果。
2.根据权利要求1所述的空气系统结构CFD数值仿真方法，其特征在于，在所述步骤一中，是通过基础模型流量特性试验或水力摩阻手册或基础模型CFD仿真计算方式确定篦齿结构的流阻特性。
3.根据权利要求2所述的空气系统结构CFD数值仿真方法，其特征在于，所述步骤二，简化CFD模型篦齿结构包括将篦齿简化为环缝结构。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112906322B (zh) * 2021-03-17 2024-03-15 中国航空发动机研究院 一种燃气涡轮发动机盘腔内部参数的计算方法
CN113408219B (zh) * 2021-07-01 2023-09-22 中国航发沈阳发动机研究所 一种燃气轮机管路断裂漏油量计算方法
CN113553788B (zh) * 2021-07-23 2022-12-06 中国航发贵阳发动机设计研究所 一种航空发动机润滑系统通风能力仿真计算方法
CN115795705B (zh) * 2022-10-19 2024-01-02 中国航发沈阳发动机研究所 一种航空发动机空气系统引气管路及其流阻特性设计方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103745030A (zh) * 2013-12-11 2014-04-23 清华大学 一种带有篦齿封严的偏心鼓筒气动力计算方法
CN111767663A (zh) * 2020-05-29 2020-10-13 江苏神通阀门股份有限公司 一种基于cfd仿真的阀门流量系数便捷计算方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103745030A (zh) * 2013-12-11 2014-04-23 清华大学 一种带有篦齿封严的偏心鼓筒气动力计算方法
CN111767663A (zh) * 2020-05-29 2020-10-13 江苏神通阀门股份有限公司 一种基于cfd仿真的阀门流量系数便捷计算方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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基于FLUENT的风扇CFD模拟仿真研究;莫国庆等;《企业科技与发展》;20150220(第04期);全文 *

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