CN114036652B - 一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法 - Google Patents

一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，包括：步骤1：建立结构完整的单个叶片模型；步骤2：将单个叶片模型作为第一层级计算模型，并进行仿真计算；步骤3：根据单个叶片模型的计算域，对第一层级计算模型逐级简化，并对每一次简化后的计算模型进行仿真计算；其中，单个叶片模型的计算域包括，入口段区域计算域、出口段区域计算域、主流近壁区域计算域、冷却腔体区域计算域、叶片固体区域计算域和气膜孔区域计算域；在简化过程中，相邻层级计算模型之间通过信息传递面进行边界信息传递。本发明的多尺度计算方法，在节约了大量计算网格和降低了计算时间的前提下，可以将叶片内部细节的流动与传热特征进行精确的捕捉。

Description

一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法
技术领域
本发明属于燃气轮机叶片冷却的数值计算技术领域，具体涉及一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法。
背景技术
提高主流燃气的入口温度是提高燃气轮机热效率的常见方式之一。现在燃气轮机的入口温度已经远远超过涡轮叶片材料的耐受温度，需要对叶片采取合理的冷却方式。为了研究涡轮叶片的冷却效果，常用数值模拟仿真的方法对涡轮叶片内外的流动换热进行研究。
目前，针对于燃气轮机叶片的热模拟方法主要为将全级叶片简化，以叶栅或单独叶片作为研究对象进行热分析，而这种方法由于受到计算资源的限制(内存空间、计算时间)，只能生成一定数量的网格，不足以将叶片内部细节的流动与传热特征进行精确的捕捉。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，包括：
步骤1：建立结构完整的单个叶片模型；
步骤2：将所述单个叶片模型作为第一层级计算模型，并进行仿真计算；
步骤3：根据所述单个叶片模型的计算域，对所述第一层级计算模型逐级简化，并对每一次简化后的计算模型进行仿真计算；
其中，所述单个叶片模型的计算域包括，入口段区域计算域、出口段区域计算域、主流近壁区域计算域、冷却腔体区域计算域、叶片固体区域计算域和气膜孔区域计算域；
在简化过程中，相邻层级计算模型之间通过信息传递面进行边界信息传递。
在本发明的一个实施例中，所述步骤3包括：
步骤3.1：对所述第一层级计算模型进行简化，去除所述第一层级计算模型的叶片固体区域计算域，得到第二层级计算模型，并对所述第二层级计算模型进行仿真计算；
步骤3.2：对所述第二层级计算模型进行简化，去除所述第二层级计算模型的入口段区域计算域，得到第三层级计算模型，并对所述第三层级计算模型进行仿真计算；
步骤3.3：对所述第三层级计算模型进行简化，去除所述第三层级计算模型的冷却腔体区域计算域和气膜孔区域计算域，得到第四层级计算模型，并对所述第四层级计算模型进行仿真计算。
在本发明的一个实施例中，所述信息传递面为去除的计算域与剩余计算域的公共交界面。
在本发明的一个实施例中，所述第一层级计算模型与所述第二层级计算模型的信息传递面为叶片外表面，传递的边界信息为叶片表面热流密度。
在本发明的一个实施例中，所述第二层级计算模型与所述第三层级计算模型的信息传递面为根据所述第三层级计算模型的进口位置在所述第二层级计算模型中的截面，传递的边界信息为流体在该截面上的压力和温度。
在本发明的一个实施例中，所述第三层级计算模型与所述第四层级计算模型的信息传递面为气膜孔的出口面，传递的边界信息为冷却气体在气膜孔出口面的压力和温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，通过逐级简化、分开计算，通过结构的简化与过程中的插值，在节约了大量计算网格和降低了计算时间的前提下，将叶片内部细节的流动与传热特征进行精确的捕捉，使得仿真计算结果保持一定的准确性和精度。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的C3X叶片的计算域的示意图；
图3是本发明实施例提供的网格无关性验证图；
图4是本发明实施例提供的第一层级的结构化网格；
图5是本发明实施例提供的四个层级无量纲压力对比图；
图6是本发明实施例提供的四个层级无量纲温度对比图；
图7是本发明实施例提供的第二层级的结构化网格；
图8是本发明实施例提供的第三层级的结构化网格；
图9是本发明实施例提供的第四层级的结构化网格。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
实施例一
请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法的流程图，如图所示，本实施例的燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，包括：
步骤1：建立结构完整的单个叶片模型；
步骤2：将单个叶片模型作为第一层级计算模型，并进行仿真计算；
需要说明的是，在进行第一层级仿真计算时，要使用尽可能较多的网格进行计算。为了保证计算的准确性、有效性，应对第一层级计算模型进行必要的网格独立性验证，确定最大计算能力，在后续的计算中应该以此网格数为上限进行模型的简化。
第一层级计算采用网格无关性验证出的网格数，其余层级计算因为省略了部分几何结构，故网格数会减少，其余层级计算可以与第一层级采用的网格数量进行比较，得出各个层级相比第一层级减少网格数的比例。
步骤3：根据单个叶片模型的计算域，对第一层级计算模型逐级简化，并对每一次简化后的计算模型进行仿真计算；
在本实施例中，单个叶片模型的计算域包括，入口段区域计算域、出口段区域计算域、主流近壁区域计算域、冷却腔体区域计算域、叶片固体区域计算域和气膜孔区域计算域。
可选地，根据计算域尺度的相对大小与最终需要获得的结果为考量决定模型的简化顺序。
需要说明的是，尺度大小和影响结果的因素需要同时考量，首先先简化掉几何区域占比大但对结果影响较小的区域，如计算域的入口段区域计算域、叶片固体区域计算域，其次对于网格数占比较大的区域要进行简化，如气膜孔区域计算域，但气膜孔区域计算域尺度较小，会对结果产生一定影响，因此，可以放在最后进行简化。
进一步地，在简化过程中，相邻层级计算模型之间通过信息传递面进行边界信息传递。
在本实施例中，信息传递面为去除的计算域与剩余计算域的公共交界面。
具体地，步骤3包括：
步骤3.1：对第一层级计算模型进行简化，去除第一层级计算模型的叶片固体区域计算域，得到第二层级计算模型，并对第二层级计算模型进行仿真计算；
在本实施例中，第一层级计算模型与第二层级计算模型的信息传递面为叶片外表面，传递的边界信息为叶片表面热流密度，其中，叶片的外表面包括叶片前缘、叶片压力面、叶片吸力面和叶片尾缘。
步骤3.2：对第二层级计算模型进行简化，去除第二层级计算模型的入口段区域计算域，得到第三层级计算模型，并对第三层级计算模型进行仿真计算；
在本实施例中，第二层级计算模型与第三层级计算模型的信息传递面为根据第三层级计算模型的进口位置在第二层级计算模型中的截面，传递的边界信息为流体在该截面上的压力和温度。
步骤3.3：对第三层级计算模型进行简化，去除第三层级计算模型的冷却腔体区域计算域和气膜孔区域计算域，得到第四层级计算模型，并对第四层级计算模型进行仿真计算。
在本实施例中，第三层级计算模型与第四层级计算模型的信息传递面为气膜孔的出口面，传递的边界信息为冷却气体在气膜孔出口面的压力和温度。
本实施例的燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，通过逐级简化、分开计算，通过结构的简化与过程中的插值，在节约了大量计算网格和降低了计算时间的前提下，将叶片内部细节的流动与传热特征进行精确的捕捉，使得仿真计算结果保持一定的准确性和精度。
实施例二
本实施例以发动机第一级导叶片C3X为例对实施例一的燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法进行效果验证。
具体地，在本实施例中，C3X叶片内部有三个冷却腔体，分别为叶片前缘、叶片压力面和叶片吸力面的气膜孔供气，其次还布置了十个径向冷却通道以降低叶片温度。请参见图2，图2是本发明实施例提供的C3X叶片的计算域的示意图，其中，(b)图为(a)图中矩形框部分的放大图，如图所示，对于C3X叶片的计算域包括入口段区域计算域1、出口段区域计算域2、主流近壁区域计算域3、叶片固体区域计算域4、冷却腔体区域计算域5、气膜孔区域计算域6。
在本实施例中，计算边界条件采用NASA报告中的34135号工况，主流入口采用压力入口边界条件，压力值为305793Pa，入口总温为700K，出口采用压力出口边界条件，压力值为215328Pa；三个独立的冷却腔采用流量入口边界条件，计算域两侧为平移式周期性边界条件，其余面为绝热壁面。
第一层级仿真计算：
首先对C3X叶片的计算网格进行网格独立性验证，以C3X的34135工况下的叶片表面传热系数计算结果为参考，不同网格下的传热系数变化趋势请参见图3，图3是本发明实施例提供的网格无关性验证图，如图所示， 1750万和4273万网格的计算结果相差很小，小于1％，考虑到计算资源有限，本实施例采取1750万结构化网格进行第一层级的仿真计算。第一层级的结构化网格如图4所示，图4是本发明实施例提供的第一层级的结构化网格。
请参见图5和图6，图5是本发明实施例提供的四个层级无量纲压力对比图；图6是本发明实施例提供的四个层级无量纲温度对比图。如图所示，在本实施例中，截面的具体位置为Z＝39.2mm(也就是叶片高度方向 Z＝39.2mm的平面与叶片的重合面)。由第一级计算的中径处压力可看出，在叶片压力面上，第一次的数值计算结果可以和实验数据有很好的吻合。在叶片吸力面侧由于k-ε湍流模型不能捕捉到叶片的转捩现象，在叶片吸力面的转捩区域有相对较大的误差(轴向弦长0.4～0.6)。
在表面的无量纲温度方面，数值计算结果和实验数据有基本相似的分布规律，但是在叶片压力面靠近前缘侧有一个明显的温度较低的区域，可能是数值计算的模型参数例如孔的流向、叶高方向的角度等几何参数的缺失造成。仿真选择参数并不能和实验模型保持完全一致，模型参数设置有一定的推测。实验结果点相对较为离散，并不能像数值计算的结果一样相对连续。后者在无量纲温度图中可以明显地看出气膜孔的具体位置，即无量纲温度的突增与突降，其体现出了数值计算方法的优越性。
由于计算模型并不是单排孔，叶片表面温度的分布是多种工况参数，多排孔间多种冷却形式下的综合结果，所以细小的结构差异可能会带来相对实验很大的误差。C3X叶片仿真中的固体物性为自行拟合，同样可能会带来与实验数据不同的计算结果。使用第一层级的误差计算方法，此处的压力计算主要分为三段，即叶片压力面单调区间、叶片吸力面转捩现象前、转捩现象后。传热系数的分布较为离散，取值区间主要为叶片压力面两部分和叶片吸力面整体，得到压力的偏差为21.38％、温度的偏差为2.81％、传热系数的偏差为32.14％。
第二层级仿真计算：
请参见图7，图7是本发明实施例提供的第二层级的结构化网格。在第二层级的仿真计算中，将叶片固体区域计算域省略，使用第一层级仿真计算得到的叶片表面热流密度作为边界条件替代叶片固体区域计算域，以达到减少计算量的目的。热边界信息的传递主要包括三类：温度，热流密度和传热系数。此处使用等壁温边界条件或者传热系数都不能很好地与实验数据作对比。在原有的网格节点分布下将孔的内部网格加密，综合其以上的网格数量变化，整体的计算域网格可减小9.3％。在本次计算中，传递信息为叶片表面热流密度，并没有很大程度地改变流场分布，所以在无量纲压力上变化并不大。但是由于将固体流体的耦合传热过程拆分开来，在叶片表面会形成较为明显的沿流动方向分布的冷气轨迹。
本实施例的多尺度计算方法主要目的为在一定的误差范围内，在不断地降低计算资源使用下得到相对精确的计算结果。在计算中，第一层级网格使用量为1750万结构化网格。在数值仿真软件的计算中，由于网格质量不同，不能达到相同的收敛精度，所以通过监测具体的参数变化来决定其是否达到收敛条件。在这里主要的收敛条件为叶片表面的传热系数，其在1000 步的计算中变化小于1％即为收敛。
在第一层级仿真计算中，由于流固耦合的作用，计算38000步左右，其达到收敛条件，约用4117分钟。而在第二层级仿真计算中，由于计算域减少，且不存在流固耦合问题，其计算较为简单，计算至5900步达到收敛条件，约用时885分钟，在第一层级的基础上节约了78.5％的计算时间。偏差方面，压力偏差为21.2％、温度偏差2.89％。从两次的误差可以看出，由于流场差异不大，在压力偏差上区别并不大。温度偏差方面，由于第二层级仿真计算对壁面网格加密，且壁面热流密度给定，会大幅度减少计算时间，使得温度偏差减小。传热系数在两次的计算中得到了相似的分布趋势，计算的偏差结果与第一层级仿真计算差别不大。
第三层级仿真计算：
请参见图8，图8是本发明实施例提供的第三层级的结构化网格。在第三层级的仿真计算中，为了继续简化计算流程在第二层级仿真计算的基础上进一步省略部分计算域，即省略入口段区域计算域，该区域约占整体计算体积的41.2％。在此基础上，根据第三层级计算模型的进口位置在第二层级计算模型中设置截面，将第二层级仿真计算结果插值到第三层级中作为进出口压力的边界条件。此处的入口边界条件为了使通道内压力分布与前两级相似，使用流体截面的全压作为传递变量，质量流量入口会出现很大程度的压力误差。
将第三层级的无量纲压力、无量纲温度与之前的多级计算对比，第三层级计算模型简化了占较大计算区域的入口段区域计算域，为了降低结果的偏差，此处继续将近壁面的网格加密，第三层级结构化网格为933万，计算时长为683分钟。偏差方面，压力偏差为20.7％，温度偏差为5.81％。
需要说明的是，在三个层级、三次模型简化的过程中，对于感兴趣的研究结构，例如孔内、近壁面气膜覆盖处，可以通过局部加密而得到更确切的、分辨率更高的计算结果。
由于每个层级的简化均会节约大体量的计算网格，在局部加密并不会使得整体网格数量的提升。在第一层级仿真计算中，气膜孔的节点参数分别为8×8×8(横向×纵向×O型划分方向)，O型划分节点布置采用指数分布，比率1.1；在第二层级仿真计算中提高精度选用10×10×10；在第三层级仿真计算中选用12×12×12；第四层级仿真计算中选用15×15×15。在四个层级的仿真计算中，孔内节点数量在二维层级上从260提升至1009，此处的网格数量计算方法如下：
N＝4×(n1-1)×n1+(n2-2)2
其中，n1、n2表示两个方向的节点数量。
第四层级仿真计算：
现代的燃气轮机上为了降低叶片表面温度，会存在成百上千的孔结构，为了更加详尽、准确地分析孔内的流动传热特征，将冷却工质从冷却腔、气膜孔、再流至主流的过程整体模拟分析是非常有必要的。然而叶片上的孔结构数量巨大且由于其尺度小流动复杂，需要生成大量的网格去捕捉孔内流动，其计算需求往往难以达到。如果将孔的出流完全设置在叶片表面上，这将会使得计算过程大幅简化。
在第四层级仿真计算中，采用一种全新的方法，将传统的孔结构简化，使用一种类似于面源的方法代替气膜孔进行出流。所以，此出流面边界条件的选择将很大程度影响最终计算结果的准确性与精度。
请参见图9，图9是本发明实施例提供的第四层级的结构化网格。使用第三层级计算模型中的孔出流的压力、温度作为第四层级计算模型简化所有出流孔面的边界条件，本实施例的物理计算模型到此为最终层级，此时的计算域体积仅为初次计算的31％，网格数量为初次计算的42.3％(在简化过程中针对一些结构进行了加密)，计算时长仅为139分钟，为初次计算时长的3.4％。
与之前的三级计算类似，主流流量占绝对优势，孔结构的简化并不会对叶片表面压力带来很大的变化。无量纲温度方面同样存在上述多级中所表现的问题，即冷却气流在表面分布不均匀，结果对于截面位置的选取较为敏感，但是整体仍保持一个合理的变化趋势。第四层级的压力偏差20.70％、温度偏差为9.38％。在四个层级的计算中，统计其具体的计算数据参见表1，表1为各级计算结果与初次计算的参数对比。
表1.各级计算结果与初次计算的参数对比
可以清晰地看出，在三次结构简化的过程中，网格数量不断降低，计算所需的收敛时长不断减少，在第四层级中，计算时长仅仅占第一层级流固耦合所需时间的3.37％，同时节约了57.66％的结构化网格。与NASA的实验数据对比，压力偏差始终保持在21％左右。温度偏差根据各级简化程度的不同、具体数据截面的敏感度不同会带来较大的偏差。可以认为，本实施例的燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法达到了在一定的误差范围内，在不断减少计算资源的情况下得到相对精确的计算结果。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，其特征在于，包括：
步骤1：建立结构完整的单个叶片模型；
步骤2：将所述单个叶片模型作为第一层级计算模型，并进行仿真计算；
步骤3：根据所述单个叶片模型的计算域，对所述第一层级计算模型逐级简化，并对每一次简化后的计算模型进行仿真计算；所述步骤3包括：
步骤3.1：对所述第一层级计算模型进行简化，去除所述第一层级计算模型的叶片固体区域计算域，得到第二层级计算模型，并对所述第二层级计算模型进行仿真计算；
步骤3.2：对所述第二层级计算模型进行简化，去除所述第二层级计算模型的入口段区域计算域，得到第三层级计算模型，并对所述第三层级计算模型进行仿真计算；
步骤3.3：对所述第三层级计算模型进行简化，去除所述第三层级计算模型的冷却腔体区域计算域和气膜孔区域计算域，得到第四层级计算模型，并对所述第四层级计算模型进行仿真计算；
其中，所述单个叶片模型的计算域包括，入口段区域计算域、出口段区域计算域、主流近壁区域计算域、冷却腔体区域计算域、叶片固体区域计算域和气膜孔区域计算域；
在简化过程中，相邻层级计算模型之间通过信息传递面进行边界信息传递。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，其特征在于，所述信息传递面为去除的计算域与剩余计算域的公共交界面。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，其特征在于，所述第一层级计算模型与所述第二层级计算模型的信息传递面为叶片外表面，传递的边界信息为叶片表面热流密度。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，其特征在于，所述第二层级计算模型与所述第三层级计算模型的信息传递面为根据所述第三层级计算模型的进口位置在所述第二层级计算模型中的截面，传递的边界信息为流体在该截面上的压力和温度。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片内外耦合的多尺度计算方法，其特征在于，所述第三层级计算模型与所述第四层级计算模型的信息传递面为气膜孔的出口面，传递的边界信息为冷却气体在气膜孔出口面的压力和温度。
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CN113111453A (zh) * 2021-03-30 2021-07-13 南京航空航天大学 旋转叶片微织构减阻性能数值模拟简化方法

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迟重然 ; 温风波 ; 王松涛 ; 冯国泰 ; .涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅲ:气热耦合计算.工程热物理学报.2011,(09),全文. *

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