CN113111453B - 旋转叶片微织构减阻性能数值模拟简化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转叶片表面微织构减阻性能数值模拟简化方法。首先根据整体光滑叶轮模型建立计算域，进行光滑叶轮全环仿真，提取一叶片周围流场参数。其次，切分整体叶轮计算域，建立单个光滑叶片计算域，进行周期性仿真，提取叶片周围流场参数。对比两次参数，确保从全环到单环简化的合理性。然后，对单环计算域在高度方向上进行切片，获得一个二维的叶片计算域截面，拉伸建立单个叶型的计算域，将单环仿真结果作为条件进行局部稳态仿真。将局部稳态仿真结构与理论计算进行对比，确保误差在可接受范围内后，在叶片表面布置微织构，进行局部稳态仿真。通过此方法，可以模拟叶轮系统某一叶高位置的流动环境，可以研究该位置处微织构的减阻特性。

Description

旋转叶片微织构减阻性能数值模拟简化方法

技术领域

本发明涉及一种旋转叶片微织构减阻性能数值模拟简化方法，可以用于简化整体叶轮微织构数值仿真步骤，减少仿真硬件成本以及时间成本，属于计算机仿真领域。

背景技术

为了适应未来航空发动机的发展需求，发动机正以大推重比，高效率，低油耗以及良好的稳定性为目标发展。叶轮系统是发动机中的重要组成部分，直接影响着发动机的整体性能。为了提高发动机的燃油效率，众多学者尝将新型减阻技术应用在叶片表面，以期望能够是叶片获得更高的气动性能。其中，微织构减阻技术以其不需要额外设备或能量输入，成本较小，功能稳定，便于应用等特点，被广泛研究。

由于叶轮系统具有高流速、大流量的特点，叶片的转动使流道内气体无规律增强，不利于微织构的减阻性能的研究。通常情况下，学者们采用数值模拟手段来模拟叶轮系统内部的气流流动。对于一个完整的叶轮系统，通常采用全环仿真，可以模拟实际运行的工况，保证精度。但由于叶轮曲面复杂度较大，全环仿真计算量大，所以对计算硬件和计算时间成本要求都非常高，而且，微小的表面织构的加入，将大幅增加了仿真的难度。不利于叶片表面微织构的减阻性能的研究。因此为了方便探究叶片表面微织构的减阻性能，需要制定合理的数值模拟方法，简化仿真模型的同时保证数值仿真的精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种针对旋转叶片微织构减阻性能数值模拟简化方法，能够在保证计算精度的情况下，减少仿真硬件成本节约时间。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

步骤1)：光滑叶轮计算域建模，根据目标叶轮模型。根据目标叶轮模型。任意选取叶轮某一侧面为参考平面，以叶轮圆心为原点，以轮毂和轮缘的尺寸为直径绘制小圆和大圆，并进行向垂直于侧面的两个方向进行拉伸，参考平面向叶轮一侧方向，拉伸长度为1倍叶轮厚度，另一方向为2倍叶轮厚度。生成叶轮计算域的上下底面。并将两个侧端面封闭，建立一个包裹叶轮叶片的环形计算域；

步骤2)：光滑叶轮全环数值模拟，将步骤1)中建立好的光滑叶轮计算域，导入到Fluent中，进行网格划分，采用基于工作流的网格划分方法，采用非结构网格，第一层网格高度，对应无量纲数k⁺＝1。根据实际需要设置转速和入口速度，对光滑的整体叶轮进行全环旋转数值模拟。根据仿真结果，选取整体光滑叶轮中的某一个单独叶片进行分析，确定单一叶片周围流场特性，攻角、流速参数；

步骤3)：单个光滑叶片计算域建模，将步骤1)中建立好的整体光滑叶轮计算域根据叶片数量进行均匀切割，每个扇形对应角度，为360°除以叶片数量计算所得。形成新的扇形计算域，每个计算域包裹一个叶片；

步骤4)：单个光滑叶片单环周期性数值模拟，将步骤3)中建立好的光滑叶轮计算域，导入到Fluent中，进行网格划分，采用基于工作流的网格划分方法，采用非结构网格，第一层网格高度，对应无量纲数k⁺＝1。将计算域的两个分割面设置为周期边界，并设置内部气流流动转速和入口速度，对单独光滑叶片进行单环旋转周期性数值模拟，根据仿真结果，提取叶片周围流畅特性，攻角、流速参数。并与步骤2)中的结果进行对比，设置一定阈值，确保从全环到单环的仿真误差在可接受范围内；

步骤5)：单一光滑叶型计算域建模，选取某一叶高位置的叶型，对步骤3) 中的计算域，在高度方向上进行切片，获得一个二维的叶片计算域截面，将该截面进行拉伸5-15mm，具体根据计算机性能设置，避免仿真成本过高，形成一个三维叶片计算域；

步骤6)：单一光滑叶型稳态数值模拟，将步骤5)中建立的计算域导入到 Fluent中，进行网格划分，采用基于工作流的网格划分方法，划分为非结构网格，第一层网格高度，对应无量纲数k⁺＝1。并根据步骤4)中获得的攻角和气流流速，设置该计算域的初始条件，进行局部稳态仿真。从而获得单一叶型的气流流动状态，攻角和气流流速；

步骤7)：单一叶型气流流速、攻角理论计算，根据步骤5)中的切片位置，计算在整体光滑叶轮中该叶高位置距离圆心的半径R，叶轮旋转速度S，以及气流入口速度V计算理论攻角θ和相对流速v，计算公式如下：

v_x＝V

式中：v_x为叶轮轴向方向速度分量，v_y为叶轮周向方向速度分量。

步骤8)：单一叶型数值计算与理论计算对比，对比步骤6)和步骤7)中的相对流速和攻角，设置一定阈值，确保从全环到单环的仿真误差在可接受范围内，确定仿真方法的可靠性，若误差过大，调整步骤5)中切片位置；

步骤9)：叶片表面微织构的数值模拟，根据步骤8)确定了步骤6)的结果的可靠性后，在步骤5)的计算域基础之上，在叶片表面增加微织构，并按照步骤6)的仿真方法进行叶片表面微织构的数值模拟；

本发明中所述步骤4)中，提取叶片周围流场特性，需要对叶片进行切片，在高度方向上，从叶底到叶高位置，按照比例进行切分，并通过Fluent软件提取该高度平面的流场特性。

本发明提出一种叶片表面微织构减阻性能数值模拟简化方法。首先根据整体光滑叶轮模型建立整体光滑叶轮计算域，设置转速和入口速度，利用该计算域进行光滑叶轮全环数值模拟，选取整体光滑叶轮中的某一个单独叶片进行分析，确定单一叶片周围流场攻角、流速参数。其次，对整体光滑叶轮计算域进行切分，建立单个光滑叶片计算域，设置转速和入口速度，定义周期边界条件，对单个光滑叶片单环周期性数值模拟，提取叶片周围流场攻角、流速参数。与全环仿真的结果进行对比，确保从全环到单环的仿真的合理性。然后，选取某一叶高位置的叶型，对单环模拟的计算域，在高度方向上进行切片，获得一个二维的叶片计算域截面，将该截面进行拉伸10mm，建立单个叶型的计算域，提取单环仿真，入口以及流速条件，进行局部稳态仿真。将局部稳态仿真结构与理论计算进行对比，确保误差在可接受范围内后，在单一叶型叶片表面布置微织构，进行局部稳态仿真分析。通过此方法，可以叶轮系统中，某一叶高位置的流动环境，因此，可以研究该位置处微织构的减阻特性。

附图说明

图1.整体光滑叶轮计算域；

图2.单一光滑叶片计算域；

图3.单一光滑叶型计算域。

具体实施方式

针对旋转叶片表面微织构的数值模拟方法进行简化，首先根据整体光滑叶轮模型建立整体光滑叶轮计算域，并进行光滑叶轮全环数值模拟，选取某一个单独叶片进行分析，确定单一叶片周围流场攻角、流速参数。其次，对整体光滑叶轮计算域进行切分，建立单个光滑叶片计算域，对单个光滑叶片单环周期性数值模拟，提取叶片周围流场攻角、流速参数。与全环仿真的结果进行对比，确保从全环到单环的仿真的合理性。然后，选取某一叶高位置的叶型，建立单个叶型的计算域，进行局部稳态仿真。将局部稳态仿真结构与理论计算进行对比，确保误差在可接受范围内后，在单一叶型叶片表面布置微织构，进行局部稳态仿真分析。

1、光滑叶轮计算域建模

根据目标叶轮模型。选取叶轮某一侧面为参考平面，以叶轮圆心为原点，以轮毂和轮缘的尺寸为直径绘制小圆和大圆，小圆半径300mm，大圆直径410mm，并进行向垂直于侧面的两个方向进行拉伸，指向叶轮一侧拉伸长度为160mm，背离叶轮一侧方向拉伸80mm，生成叶轮计算域的上下底面。并两端封闭，建立一个包裹叶轮叶片的环形计算域，如图1所示；

2、光滑叶轮全环数值模拟

将步骤1)中建立好的光滑叶轮计算域，导入到Fluent中，进行网格划分，采用基于工作流的网格划分方法，采用非结构网格，第一层网格高度为0.005mm，并设置转速2880r/mm和入口速度75m/s，对光滑的整体叶轮进行全环旋转数值模拟。根据仿真结果，选取整体光滑叶轮中的某一个单独叶片进行分析，确定单一叶片周围流场特性，如攻角54.82°、流速130.56m/s；

3、单个光滑叶片计算域建模

将步骤1)中建立好的整体光滑叶轮计算域进行均匀切割，切割为45份，形成新的扇形计算域，每个计算域包裹一个叶片，每个扇形角度为8°，如图2所示；

4、单个光滑叶片单环周期性数值模拟

将步骤3)中建立好的光滑叶轮计算域，导入到Fluent中，进行网格划分，采用基于工作流的网格划分方法，采用非结构网格，第一层网格高度0.005mm，将计算域的两个分割面设置为周期边界，并设置内部气流流动转速2880r/mm和入口速度75m/s，对单独光滑叶片进行单环旋转周期性数值模拟，根据仿真结果，提取叶片周围流畅特性如攻角54.85°、流速130.52m/s，并与步骤2)中的结果进行对比，攻角误差0.05％，速度误差0.03％，误差在可接受范围内；

5、单一光滑叶型计算域建模

选取某一叶高位置的叶型，对步骤3)中的计算域，在50％叶高方向上进行切片，获得一个二维的叶片计算域截面，将该截面进行拉伸10mm，形成一个三维叶片计算域，如图3所示；

6、单一光滑叶型稳态数值模拟

将步骤5)中建立的计算域导入到Fluent中，进行网格划分，并根据步骤4) 中获得的攻角和气流流速，设置该计算域的初始条件，进行局部稳态仿真。从而获得单一叶型的气流流动状态，攻角54.88°和气流流速131.53m/s；

7、单一叶型气流流速、攻角理论计算

根据步骤5)中的切片半径R,叶轮旋转速度S,以及气流入口速度V计算理论攻角θ和相对流速v,计算公式如下：

v_x＝V

攻角54.97°，流速130.67m/s.

8、单一叶型数值计算与理论计算对比

对比步骤7)和步骤8)中的相对流速和攻角，攻角误差0.16％，速度误差0.11％，确定仿真方法的可靠性；

9、叶片表面微织构的数值模拟

根据步骤8)确定了步骤6)的结果的可靠性后，在步骤5)的计算域基础之上，在叶片表面增加微织构，并按照步骤6)的仿真方法进行叶片表面微织构的数值模拟。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.旋转叶片微织构减阻性能数值模拟简化方法，其特征包括以下步骤：

步骤1)：光滑叶轮计算域建模

根据目标叶轮模型，任意选取叶轮某一侧面为参考平面，以叶轮圆心为原点，以轮毂和轮缘的尺寸为直径绘制小圆和大圆，并向垂直于侧面的两个方向进行拉伸，参考平面向叶轮一侧方向，拉伸长度为1倍叶轮厚度，另一方向为2倍叶轮厚度,生成叶轮计算域的上下底面,并将两个侧端面封闭，建立一个包裹叶轮叶片的环形计算域；

步骤2)：光滑叶轮全环数值模拟

将步骤1)中建立好的光滑叶轮计算域，导入到Fluent中，进行网格划分，采用基于工作流的网格划分方法，划分成非结构网格，第一层网格高度，对应无量纲数k⁺＝1；根据实际需要设置转速和入口速度，对整体光滑叶轮进行全环旋转数值模拟；根据仿真结果，选取整体光滑叶轮中的某一个单独叶片进行分析，提取单一叶片周围流场特性，攻角、流速参数；

步骤3)：单个光滑叶片计算域建模

将步骤1)中建立好的整体光滑叶轮计算域根据叶片数量进行均匀切割，每个扇形对应角度，为360°除以叶片数量计算所得；形成新的扇形计算域，每个计算域包裹一个叶片；

步骤4)：单个光滑叶片单环周期性数值模拟

将步骤3)中建立好的单个光滑叶轮计算域，导入到Fluent中，进行网格划分，采用基于工作流的网格划分方法，采用非结构网格，第一层网格高度，对应无量纲数k⁺＝1；将计算域的两个分割面设置为周期边界，并设置内部气流流动转速和入口速度，对单独光滑叶片进行单环旋转周期性数值模拟，根据仿真结果，提取叶片周围流畅特性，攻角、流速参数；并与步骤2)中的结果进行对比，设置一定阈值，确保从全环到单环的仿真误差在可接受范围内；

步骤5)：单一光滑叶型计算域建模

选取某一叶高位置的叶型，对步骤3)中的计算域，在高度方向上进行切片，获得一个二维的叶片计算域截面，将该截面进行拉伸5-15mm，具体根据计算机性能设置，避免仿真成本过高，形成一个三维叶片计算域；

步骤6)：单一光滑叶型稳态数值模拟

将步骤5)中建立的计算域导入到Fluent中，进行网格划分，采用基于工作流的网格划分方法，采用非结构网格，第一层网格高度，对应无量纲数k⁺＝1,并根据步骤4)中获得的攻角和气流流速，设置该计算域的初始条件，进行局部稳态仿真。从而获得单一叶型的气流流动状态，攻角和气流流速；

步骤7)：单一叶型气流流速、攻角理论计算

根据步骤5)中的切片位置，计算在整体光滑叶轮中该叶高位置距离圆心的半径R，叶轮旋转速度S，以及气流入口速度V,计算理论攻角θ和相对流速v，计算公式如下：

v_x＝V

式中：v_x为叶轮轴向方向速度分量，v_y为叶轮周向方向速度分量

步骤8)：单一叶型数值计算与理论计算对比

对比步骤6)和步骤7)中的相对流速和攻角，设置一定阈值，确保从全环到单环的仿真误差在可接受范围内，确定仿真方法的可靠性，若误差过大，调整步骤5)中切片位置；

步骤9)：叶片表面微织构的数值模拟

根据步骤8)确定了步骤6)的结果的可靠性后，在步骤5)的计算域基础之上，在叶片表面增加微织构，并按照步骤6)的仿真方法进行叶片表面微织构的数值模拟。

2.根据权利要求1所述的叶片微织构减阻性能数值模拟简化方法，其特征在于：所述步骤4)中，提取叶片周围流场特性，需要对叶片进行切片，在高度方向上，从叶底到叶高位置，按照比例进行切分，并通过Fluent软件提取该高度平面的流场特性。

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