CN113065292B - 用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，包括步骤：对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算；从计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据；将过渡段进、出口边界模型数据周向复制扩展至全周；在流体仿真软件中导入一体化涡轮过渡段单个周期的计算域网格，分别根据过渡段前、后排转子叶片的转速建立两个旋转坐标系；对过渡段进口按周向扩展后的进口边界模型数据和所建上游转子坐标系设置进口边界条件；对过渡段出口按周向扩展后的出口边界模型数据和所建下游转子坐标系设置出口开放边界条件；对过渡段进行其它项设置，完成非定常流动计算。本发明计算量小、操作简单、不受流体仿真软件的功能限制。

Description

用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机涡轮技术领域，特别地，涉及一种用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法。

背景技术

涡轮过渡段是涡轴、涡桨等航空发动机中的重要构件，用于连接位于其前、后的高压涡轮与低压涡轮，并起结构上的支撑作用。一体化涡轮过渡段是将涡轮过渡段与低压涡轮第一级导向器进行融合与一体化设计。在这种过渡段中，通常同时含有大小叶片，其中的大叶片起通油、通气作用，数目较少，小叶片起气流导向作用，数目较多。由于同一个构件即是涡轮过渡段又是低压涡轮第一级导向器，从而可大幅缩短涡轮部件的长度，因此一体化涡轮过渡段构型已经成为涡轮过渡段构型的发展趋势。

由于一体化涡轮过渡段前后都是转子叶片，从而其流动同时受到来自前后方向的非定常扰动的影响，非定常特征明显，故有必要采用非定常计算代替定常计算对其非定常流动和气动性能进行更加精确的模拟。

一体化涡轮过渡段作为典型的涡轮构件，对于其非定常流动的模拟目前通常有三种方法：全环模拟方法、叶片数约化方法、类似单通道模拟方法，其中，现有的全环模拟方法计算网格量很大，所需要的计算资源多，计算时间长，在工程应用上实用性较差。现有的叶片数约化方法相对于全环模拟方法而言，计算网格量有所减少，然而其计算量仍然较大，且需要进行叶片数约化处理，因此操作较复杂。现有的类似单通道模拟方法所需的计算网格量比前两者均少，然而该方法严重受限于CFD仿真软件的相关功能限制，对于一体化涡轮过渡段这种同时含大小叶片的构型，该方法通常不能得到完满的应用。

发明内容

本发明提供了一种用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，以解决现有技术针对一体化涡轮过渡段进行非定常计算时计算量大、操作复杂、因受制于流体仿真软件功能的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，包括步骤：

对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算，将其计算结果作为过渡段非定常计算所需的进、出口边界模型数据的数据源和非定常计算所需的初场文件；

从所得到的计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据；

将提取的一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据进行周向复制扩展至全周；

在流体仿真软件中导入一体化涡轮过渡段单个周期的计算域网格，然后分别根据一体化涡轮过渡段前、后排转子叶片的转速建立两个旋转坐标系；

根据以一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系、扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据，对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件；

根据以一体化涡轮过渡段后排转子叶片的转速建立的旋转坐标系、扩展至全周的一体化涡轮过渡段出口边界模型数据，对所述一体化涡轮过渡段的出口设置出口开放边界条件；

对一体化涡轮过渡段非定常流动计算的其它相关设置项进行设置，完成非定常流动计算，所述其它相关设置项包括壁面边界条件、湍流模型、迭代计算时间步长、迭代时间步数。

进一步地，对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算时，所述一体化涡轮过渡段前、后叶片排采用单叶片通道或多叶片通道。

进一步地，所述从所得到的计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据，具体包括步骤：

从定常计算结果的一体化涡轮过渡段的前排叶片出口截面提取一体化涡轮过渡段进口边界模型数据，所述一体化涡轮过渡段进口边界模型数据包括绝对总温分布型、绝对总压分布型与三个坐标轴方向的绝对流动速度分量分布型；

从定常计算结果的一体化涡轮过渡段的出口截面提取一体化涡轮过渡段出口边界模型数据，所述一体化涡轮过渡段出口边界模型数据包括静压分布型。

进一步地，所述两个旋转坐标系以过渡段几何模型的原始坐标系为基准建立，旋转坐标系的旋转轴与原始坐标系的旋转轴重合，方向一致，旋转转速分别为所述一体化涡轮过渡段前、后排转子叶片的转速。

进一步地，所述对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件，具体包括步骤：

将根据一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系设置为所述进口边界条件的参考坐标系；

将扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据中的绝对总温分布型、绝对总压分布型与三个坐标轴方向的绝对流动速度分量分布型分别设置为所述进口边界条件的进口总温、总压、三个坐标轴方向的速度方向。

进一步地，所述对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件，具体包括步骤：

将根据一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系设置为所述进口边界条件的参考坐标系；

将扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据中的绝对总温分布型、三个坐标轴方向的绝对速度分量分布型分别设置为所述进口边界条件的进口总温、三个坐标轴方向的速度分量。

进一步地，对所述一体化涡轮过渡段的出口设置出口开放边界条件，具体包括步骤：

将根据一体化涡轮过渡段后排转子叶片的转速建立的旋转坐标系设置为所述出口开放边界条件的参考坐标系；

将扩展至全周的一体化涡轮过渡段出口边界模型数据中的静压分布型设置为出口开放边界条件的出口静压。

相比现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，所述方法首先将从单个叶片排的定常计算的结果中提取的一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据进行周向复制扩展至全周，然后再结合一体化涡轮过渡段前、后排转子叶片的转速建立的两个旋转坐标系对所述一体化涡轮过渡段的进、出口分别设置进口边界条件和出口开放边界条件。由于本申请只需对一体化涡轮过渡段单个叶片排的单个周期计算域进行非定常计算，计算网格量大幅降低、计算效率极高、计算精度好；不需对叶片排几何进行叶片数约化调整或其它任何处理，能保证计算几何模型的真实性，且计算处理操作简单易行；对流体仿真软件无特殊要求，不受流体仿真软件的功能限制、适用性广。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法流程示意图。

图2是图1中步骤S2的详细子步骤流程示意图。

图3是图1中步骤S5的详细子步骤流程示意图。

图4是图1中步骤S5的另一优选实施例的详细子步骤流程示意图。

图5是图1中步骤S6的详细子步骤流程示意图。

图6是本发明优选实施例的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型装置模块示意图。

图7是本发明优选实施例的电子设备实体示意框图。

图8是本发明优选实施例的计算机设备的内部结构图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参照图1，本发明的优选实施例提供了一种用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，包括步骤：

S1、对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算，将其计算结果作为过渡段非定常计算所需的进、出口边界模型数据的数据源和非定常计算所需的初场文件；

S2、从所得到的计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据；

S3、将提取的一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据进行周向复制扩展至全周；

S4、在流体仿真软件中导入一体化涡轮过渡段单个周期的计算域网格，然后分别根据一体化涡轮过渡段前、后排转子叶片的转速建立两个旋转坐标系；

S5、根据以一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系、扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据，对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件；

S6、根据以一体化涡轮过渡段后排转子叶片的转速建立的旋转坐标系、扩展至全周的一体化涡轮过渡段出口边界模型数据，对所述一体化涡轮过渡段的出口设置出口开放边界条件；

S7、对一体化涡轮过渡段非定常流动计算的其它相关设置项进行设置，完成非定常流动计算，所述其它相关设置项包括壁面边界条件、湍流模型、迭代计算时间步长、迭代时间步数。

本实施例提供了的一种用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，所述方法首先将从包含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排的定常计算结果中提取的一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据进行周向复制扩展至全周，然后再结合一体化涡轮过渡段前、后排转子叶片的转速所建立的两个旋转坐标系对所述一体化涡轮过渡段的进、出口分别设置进口边界条件和出口开放边界条件。

由于本实施例只需对一体化涡轮过渡段单个叶片排的单个周期计算域进行非定常计算，计算网格量大幅降低、计算效率极高、计算精度好；不需对叶片排几何进行叶片数约化调整或其它任何处理，能保证计算几何模型的真实性，且计算处理操作简单易行；对流体仿真软件(CFD软件)无特殊要求，不受流体仿真软件的功能限制、适用性广。

在本申请的优选实施例中，对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算时，所述一体化涡轮过渡段前、后叶片排采用单叶片通道或多叶片通道。由于定常计算采用掺混面交接面，故本实施例过渡段前后叶片排采用单个叶片通道或多个叶片通道的定常计算效果一样，但采用单个叶片通道的计算量更小。

如图2所示，在本申请的优选实施例中，步骤S2中所述从所得到的计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据，具体包括步骤：

S201、从定常计算结果的一体化涡轮过渡段的前排叶片出口截面提取一体化涡轮过渡段进口边界模型数据，所述一体化涡轮过渡段进口边界模型数据包括绝对总温分布型、绝对总压分布型与三个坐标轴方向的绝对流动速度分量分布型；

S202、从定常计算结果的一体化涡轮过渡段的出口截面提取一体化涡轮过渡段出口边界模型数据，所述一体化涡轮过渡段出口边界模型数据包括静压分布型。

根据本申请的优选实施例，步骤S4中，所述两个旋转坐标系以过渡段几何模型的原始坐标系为基准建立，旋转坐标系的旋转轴与原始坐标系的旋转轴重合，方向一致，旋转转速分别为所述一体化涡轮过渡段前、后排转子叶片的转速。

如图3所示，根据本申请的优选实施例，步骤S5中，所述对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件，具体包括步骤：

S501、将根据一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系设置为所述进口边界条件的参考坐标系；

S502、将扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据中的绝对总温分布型、绝对总压分布型与三个坐标轴方向的绝对流动速度分量分布型分别设置为所述进口边界条件的进口总温、总压、三个坐标轴方向的速度方向。

本实施例按进口总温、总压、气流方向设置所述进口边界条件，即将进口边界条件的参考坐标系选用步骤S4中以一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速所建立的旋转坐标系，并设定进口边界条件的进口总温、总压、三个坐标轴方向的速度方向为步骤S3中得到的经过全周扩展的绝对总温分布型、绝对总压分布型、三个坐标轴方向的绝对速度分量分布型。

如图4所示，根据本申请的优选实施例，步骤S5中，所述对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件，具体包括步骤：

S511、将根据一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系设置为所述进口边界条件的参考坐标系；

S512、将扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据中的绝对总温分布型、三个坐标轴方向的绝对速度分量分布型分别设置为所述进口边界条件的进口总温、三个坐标轴方向的速度分量。

本实施例按进口总温、气流速度矢量设置所述进口边界条件，即将进口边界条件的参考坐标系选用步骤S4中以一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速所建立的旋转坐标系，并设定进口边界条件的进口总温、三个坐标轴方向的速度分量为步骤S3中得到的经过全周扩展的绝对总温分布型、三个坐标轴方向的绝对速度分量分布型。

如图5所示，根据本申请的优选实施例，步骤S6中，对所述一体化涡轮过渡段的出口设置出口开放边界条件，具体包括步骤：

S601、将根据一体化涡轮过渡段后排转子叶片的转速建立的旋转坐标系设置为所述出口开放边界条件的参考坐标系；

S602、将扩展至全周的一体化涡轮过渡段出口边界模型数据中的静压分布型设置为出口开放边界条件的出口静压。

本实施例的出口开放边界条件的参考坐标系选步骤S4中以过渡段后排转子叶片转速设置的旋转坐标系，并设定出口静压为步骤S3得到的经过全周扩展的静压分布型。

如图6所示，本申请的优选实施例还提供了一种用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型装置，包括：

定常计算模块，用于对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算，将其计算结果作为过渡段非定常计算所需的进、出口边界模型数据的数据源和非定常计算所需的初场文件；

数据提取模块，用于从所得到的计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据；

周向复制模块，用于将提取的一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据进行周向复制扩展至全周；

旋转坐标系建立模块，用于在流体仿真软件中导入一体化涡轮过渡段单个周期的计算域网格，然后分别根据一体化涡轮过渡段前、后排转子叶片的转速建立两个旋转坐标系；

进口边界条件设置模块，用于根据以一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系、扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据，对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件；

出口开放边界条件设置模块，用于根据以一体化涡轮过渡段后排转子叶片的转速建立的旋转坐标系、扩展至全周的一体化涡轮过渡段出口边界模型数据，对所述一体化涡轮过渡段的出口设置出口开放边界条件；

非定常计算模块，用于对一体化涡轮过渡段非定常流动计算的其它相关设置项进行设置，完成非定常流动计算，所述其它相关设置项包括壁面边界条件、湍流模型、迭代计算时间步长、迭代时间步数。

本实施例的用于涡轮过渡段非定常计算的边界设置装置包括定常计算模块、数据提取模块、周向复制模块、旋转坐标系建立模块、进口边界条件设置模块、出口开放边界条件设置模块和非定常计算模块，所述装置的各模块只需对一体化涡轮过渡段单个叶片排的单个周期计算域进行非定常计算，计算网格量大幅降低，计算效率极高、计算精度好；不需对叶片排几何进行叶片数约化调整或其它任何处理，能保证计算几何模型的真实性，且计算处理操作简单易行；对流体仿真软件(CFD软件)无特殊要求，不受流体仿真软件的功能限制，适用性广。

如图7所示，本发明的优选实施例还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例中的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法。

如图8所示，本发明的优选实施例还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以是终端或服务器，其内部结构图可以如图8所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器和网络接口。其中，该计算机设备的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口用于与外部的其他计算机设备通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现上述用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法。

本领域技术人员可以理解，图8中示出的结构，仅仅是与本发明方案相关的部分结构的框图，并不构成对本发明方案所应用于其上的计算机设备的限定，具体的计算机设备可以包括比图中所示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者具有不同的部件布置。

本发明的上述实施例不需计算多个叶片排，只需在一体化涡轮过渡段的单个周期的计算域上进行非定常计算，计算网格量少；无需进行叶片数约化处理，操作简单；对CFD计算软件无特殊要求，适用性强。

本发明的优选实施例还提供了一种存储介质，所述存储介质包括存储的程序，在所述程序运行时控制所述存储介质所在的设备执行上述实施例中的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

本实施例方法所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个或者多个计算设备可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算设备(可以是个人计算机，服务器，移动计算设备或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)，磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，其特征在于，包括步骤：

对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算，将其计算结果作为过渡段非定常计算所需的进、出口边界模型数据的数据源和非定常计算所需的初场文件；

从所得到的计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据；

将提取的一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据进行周向复制扩展至全周；

在流体仿真软件中导入一体化涡轮过渡段单个周期的计算域网格，然后分别根据一体化涡轮过渡段前、后排转子叶片的转速建立两个旋转坐标系；

根据以一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系、扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据，对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件；

根据以一体化涡轮过渡段后排转子叶片的转速建立的旋转坐标系、扩展至全周的一体化涡轮过渡段出口边界模型数据，对所述一体化涡轮过渡段的出口设置出口开放边界条件；

对一体化涡轮过渡段非定常流动计算的其它相关设置项进行设置，完成非定常流动计算，所述其它相关设置项包括壁面边界条件、湍流模型、迭代计算时间步长、迭代时间步数。

2.根据权利要求1所述的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，其特征在于，

对含一体化涡轮过渡段在内的涡轮叶片排进行定常计算时，所述一体化涡轮过渡段前、后叶片排采用单叶片通道或多叶片通道。

3.根据权利要求1所述的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，其特征在于，所述从所得到的计算结果中提取一体化涡轮过渡段进、出口边界模型数据，具体包括步骤：

从定常计算结果的一体化涡轮过渡段的前排叶片出口截面提取一体化涡轮过渡段进口边界模型数据，所述一体化涡轮过渡段进口边界模型数据包括绝对总温分布型、绝对总压分布型与三个坐标轴方向的绝对流动速度分量分布型；

从定常计算结果的一体化涡轮过渡段的出口截面提取一体化涡轮过渡段出口边界模型数据，所述一体化涡轮过渡段出口边界模型数据包括静压分布型。

4.根据权利要求1所述的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，其特征在于，

所述两个旋转坐标系以过渡段几何模型的原始坐标系为基准建立，旋转坐标系的旋转轴与原始坐标系的旋转轴重合，方向一致，旋转转速分别为所述一体化涡轮过渡段前、后排转子叶片的转速。

5.根据权利要求1所述的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，其特征在于，所述对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件，具体包括步骤：

将根据一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系设置为所述进口边界条件的参考坐标系；

将扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据中的绝对总温分布型、绝对总压分布型与三个坐标轴方向的绝对流动速度分量分布型分别设置为所述进口边界条件的进口总温、总压、三个坐标轴方向的速度方向。

6.根据权利要求1所述的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，其特征在于，所述对所述一体化涡轮过渡段的进口设置进口边界条件，具体包括步骤：

将根据一体化涡轮过渡段前排转子叶片的转速建立的旋转坐标系设置为所述进口边界条件的参考坐标系；

将扩展至全周的一体化涡轮过渡段进口边界模型数据中的绝对总温分布型、三个坐标轴方向的绝对速度分量分布型分别设置为所述进口边界条件的进口总温、三个坐标轴方向的速度分量。

7.根据权利要求1所述的用于一体化涡轮过渡段非定常流动计算的边界模型方法，其特征在于，对所述一体化涡轮过渡段的出口设置出口开放边界条件，具体包括步骤：

将根据一体化涡轮过渡段后排转子叶片的转速建立的旋转坐标系设置为所述出口开放边界条件的参考坐标系；

将扩展至全周的一体化涡轮过渡段出口边界模型数据中的静压分布型设置为出口开放边界条件的出口静压。

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