CN114151139B - 一种采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法 - Google Patents

一种采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法，包括将涡轮叶片划分为多个包含多个气膜孔的多个冷气域；计算冷气域的有效流通容积和冷气域总容积；基于有效流通容积和总容积确定冷气域的几何参数和孔隙率；建立冷气域的几何模型，对冷气域分网并形成计算网格；建立冷气域的渗透模型，并计算冷气域的渗透率和损失系数；基于孔隙率修正渗透率和损失系数；基于修正后的渗透率和损失系数，将冷气域与主流域进行逐步耦合计算，输出冷气域内各气膜孔的平均流动参数。本发明的方法简化了气膜孔内冷区域的建模、分网、计算，可以精确的获取涡轮叶片的各个气膜孔的流动参数，提高气膜孔流动模拟的效率和准确性。

Description

一种采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的 方法
技术领域
本发明属于发动机涡轮叶片冷却领域，涉及涡轮叶片气膜孔的渗透模型参数获取技术，具体为一种采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法。
背景技术
目前航空发动机的循环参数已达到极高水平，为了确保发动机涡轮叶片的在高温环境下可靠工作，通常需要用大量的冷气(可来源于压气机出口或中间级的)进入涡轮叶片内部的冷却通道对涡轮叶片冷却，冷气通过涡轮叶片表面数百个气膜孔排出并在叶片表面形成冷气膜，将叶片和高温燃气隔开，确保涡轮叶片在高温环境下的可靠工作。
由于冷气流量会直接影响的发动机性能，因此需要对每个气膜孔的冷气流量进行精确的分析和控制。为了实现对冷气的精确控制，目前通常采用以下两种方法实现冷气流量的控制：第一种方法是采用经验模型描述叶片内腔和气膜孔的流动损失和换热系数的变化；第二种方法是对每个气膜孔和叶片内腔的详细结构建立三维模型，进行固体域和流体域进行详细分网，然后采用全三维数值模拟，再在计算结果中对每个气膜孔进行逐个统计，以获取各个气膜孔的信息。上述第一种方法存在精度较差，无法获得精确结果的问题；第二种方法存在建模/分网复杂、技术难度大、计算时间长等，在工程应用中使用困难的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决涡轮叶片中每个气膜孔的冷气流量计算精度差、建模/分网复杂、技术难度大、计算效率低的问题，设计了一种采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法，本发明的方法简化了气膜孔内冷区域的建模、分网、计算，可以精确的获取涡轮叶片的各个气膜孔的流动参数，提高气膜孔流动模拟的效率和准确性。
实现发明目的的技术方案如下：一种采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法，包括以下步骤：
S1、将涡轮叶片划分为多个冷气域，冷气域内包含多个气膜孔；
S2、计算冷气域内的有效流通容积和冷气域总容积；
S3、基于有效流通容积和总容积，确定冷气域的几何参数和孔隙率；
S4、基于冷气域的几何参数建立冷气域的几何模型，对冷气域分网并形成计算网格；
S5、建立冷气域的渗透模型，并计算冷气域的渗透率和损失系数；
S6、基于孔隙率修正渗透率和损失系数；
S7、基于修正后的渗透率和损失系数，将冷气域与主流域进行逐步耦合计算后输出冷气域内各气膜孔的平均流动参数。
本发明模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法的原理是：首先，将涡轮叶片分为多个冷气域，通过冷气域代替各个离散的气膜孔；其次，对冷气域分网并形成计算网格；再次，建立冷气域的渗透模型并计算渗透率和损失系数；然后，根据孔隙率对渗透模型的渗透率和损失系数进行修正；最后，根据修正后的渗透率和损失系数计算冷气域内各气膜孔的流动参数(流动参数包括但不限于速度、压力、温度、流量等冷气信息)。
本发明的方法能够简化了包含多个气膜孔的冷区域的建模、分网、计算效率，提高气膜孔流动模拟的效率和准确性。
在本发明的一个实施例中，上述步骤S2中，冷气域中冷气域总容积为冷气域的容积，有效流通容积为冷气域内所有气膜孔的容积之和，且冷气域中有效流通容积与冷气域总容积之间的比值范围为0.2～0.6。
进一步的，上述步骤S3中，冷气域的几何参数和孔隙率是根据有效流通容积与冷气域总容积之间的比值确定的。
在本发明的一个实施例中，上述步骤S4中，计算网格为规则的六面体网格。
进一步的，上述计算网格内每个网格的大小为气膜孔直径的1/3～1/10。
在本发明的一个实施例中，上述步骤S5中，冷气域的渗透率为损失系数为/>μ、Vc、L、ΔP、ρ均为流场参数，其中，μ为流体粘性系数，Vc为气膜孔出口速度，L为气膜孔长度，ΔP为气膜孔进出口压差，ρ为流体密度。
进一步的，上述Vc为冷气域与涡轮叶片外表面燃气侧的第一交界面流量平均值、ΔP为冷气域与其两侧流体域的第二交界面的面积平均静压减去第一交界面的面积平均静压的值、ρ为冷气域的两侧流体域第二交界面和第一交界面的流量平均值的平均值。
更进一步的，上述步骤S6中，冷气域的渗透模型参数的渗透率的修正公式为损失系数的修正公式为/>
优选的，述步骤S6中，渗透模型参数的速度项的修正公式中：kV＝10.657K3+3.132K2-1.625K+1.027。
在本发明的一个实施例中，上述方法还包括步骤S8，涡轮叶片持续计算过程中，实时获取涡轮叶片中流场参数，经多次迭代计算直到计算结果收敛，获得冷气域内各气膜孔的平均流动参数。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过将涡轮叶片分为多个冷气域，冷气域内含有多个气膜孔，通过冷气域(优选为规则、连续的冷气域)代替各个离散的气膜孔，能够降低气膜孔的流动参数的建模难度；同时，通过采用冷气域的孔隙率对渗透模型的渗透率和损失系数进行修正，能够提高冷气域内各气膜孔的流动参数的计算精度。
2.通过对冷气域分网并形成计算网格，分网优选采用简单的六面体网格，且无需划分附面层网格，从而可以大幅降低气膜孔计算域的分网难度和网格量。
3.经测试，本发明的方法可以渗透模型的建模时间可以缩短80％以上，冷气域的分网时间可以缩短50％以上，计算网格的计算量可以减少60％以上，总的来说涡轮叶片上气膜孔的流动参数的计算时间可以缩短50％以上。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为具体实施方式中采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法的流程图；
图2为具体实施方式中涡轮叶片上冷气域的划分示意图；
图3中a本发明冷气域3分网并形成计算网格的示意图，b为现有方法中气膜孔的计算网格划分的示意图；
图4为具体实施方式中涡轮叶片表面冷气层流动的示意图；
其中，1.涡轮叶片；2.气膜孔；3.冷气域；4.六面体网格；5.气膜孔截面网格；6.附面层网格；7.第一交界面；8.涡轮叶片外表面燃气侧；9.涡轮叶片内表面冷气侧；10.第二交界面。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但这些实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
在本实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本具体实施方式提供了一种采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、将涡轮叶片1划分为多个冷气域3，冷气域3内包含多个气膜孔2。
具体的，涡轮叶片1上的气膜孔2很多，气膜孔2在涡轮叶片1上排布是比较规则的(如图2所示)，因此在对涡轮叶片1上冷气域3的划分时，冷气域3采用比较规则的方式划分，例如将同一行的气膜孔2划分成一个或多个冷气域3(如图2中所示)；也可以将同一列的气膜孔2划分成一个或多个冷气域3；也可以将气膜孔2以阵列的方式划分到同一个冷气域3中，也可以采用其他方式进行划分，再次不再进行一一列举。
S2、计算冷气域3内的有效流通容积和冷气域总容积；
具体的，冷气域3中冷气域总容积为冷气域的容积，有效流通容积为冷气域内所有气膜孔2的容积之和。为了避免后续步骤中影响冷气域3内各气膜孔2的流动参数计算误差大，影响计算精度，需要将冷气域3中有效流通容积与冷气域总容积之间的比值范围限定在0.2～0.6之间。
同时，步骤S1中，涡轮叶片1上冷气域3的划分也要遵循每个冷气域3中有效流通容积与冷气域总容积之间的比值范围为0.2～0.6的规则。
S3、基于有效流通容积和总容积，确定冷气域3的几何参数和孔隙率。
具体的，冷气域3的几何参数和孔隙率是根据有效流通容积与冷气域总容积之间的比值确定的。
其中，几何参数主要有气膜孔长度L，其数值为气膜孔2与涡轮叶片外表面燃气侧8相交的第一交界面7的截面中心点，气膜孔2与涡轮叶片内表面冷气侧9相交的第二交界面10的截面中心点之间的直线距离。孔隙率的确定方法为有效流通容积和冷气域的容积的比值。
S4、基于冷气域3的几何参数建立冷气域3的几何模型，对冷气域3分网并形成计算网格。
具体的，本步骤的计算网格是以整个冷气域3为基础进行分网(如图3中a所示)的，且分网后的计算网格择优选择为规则的六面体网格4。现有常规方法中，计算网格的设计是以单个气膜孔2为基础，划分的网格中包含气膜孔截面网格5和附面层网格6(如图3中b所示)，其会提高气膜孔计算域的分网难度，而本发明的计算网格不需要附面层网格6,而且本发明的最小网格尺度可以比常规气膜孔网格最小尺度大1-2个数量级，并且不会对计算结果产生不利影响。
进一步的，上述计算网格内每个网格的大小为气膜孔直径的1/3～1/10。
S5、建立冷气域3的渗透模型，并计算冷气域3的渗透率和损失系数。
具体的，冷气域的渗透率为损失系数为/>μ、Vc、L、ΔP、ρ均为流场参数，其中，μ为流体粘性系数，Vc为气膜孔出口速度，L为气膜孔长度，ΔP为气膜孔进出口压差，ρ为流体密度。
进一步的，如图4所示，上述Vc为冷气域3与涡轮叶片外表面燃气侧8的第一交界面7流量平均值、ΔP为冷气域3与其两侧流体域的第二交界面10的面积平均静压减去第一交界面7的面积平均静压值的值、ρ为冷气域3的两侧流体域的第二交界面10和第一交界面7的流量平均值的平均值。
S6、基于孔隙率修正渗透率和损失系数。
具体的，冷气域3的渗透模型参数的渗透率的修正公式为损失系数的修正公式为/>优选的，渗透模型参数的速度项的修正公式中kV＝10.657K3+3.132K2-1.625K+1.027。
S7、基于修正后的渗透率和损失系数，将冷气域3与主流域进行逐步耦合计算后输出冷气域3内各气膜孔2的平均流动参数。
在本具体实施方式的另一个实施例中，由于涡轮叶片在不同的工作状态，气膜孔冷气层流动是不同，为了实时获得气膜孔冷气层流动的流动参数，模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法除了上述7个步骤外，还包括步骤S8，涡轮叶片持续计算过程中，实时获取涡轮叶片中流场参数，经多次迭代计算并对计算结果收敛，获得冷气域3内各气膜孔的平均流动参数。
本具体实施方式的采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法可以在ANSYS CFX软件中开展，计算的表面冷气层流量精度可达到1％以内，速度偏差小于2％，但计算时间和计算量可比传统的对气膜孔直接建模计算的方法减少50％以上。
本发明模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法的原理是：首先，将涡轮叶片1分为多个冷气域3，通过冷气域3代替各个离散的气膜孔2；其次，对冷气域3分网并形成计算网格；再次，建立冷气域3的渗透模型并计算渗透率和损失系数；然后，根据孔隙率对渗透模型的渗透率和损失系数进行修正；最后，根据修正后的渗透率和损失系数计算冷气域内各气膜孔的流动参数(流动参数包括但不限于速度、压力、温度、流量等冷气信息)。
本发明的方法能够简化了包含多个气膜孔的冷区域的建模、分网、计算效率，提高气膜孔流动模拟的效率和准确性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种采用渗透模型模拟涡轮叶片表面气膜孔冷气层流动的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将涡轮叶片划分为多个冷气域，冷气域内包含多个气膜孔；
S2、计算冷气域的有效流通容积和冷气域总容积；
S3、基于有效流通容积和总容积，确定冷气域的几何参数和孔隙率；
S4、基于冷气域的几何参数建立冷气域的几何模型，对冷气域分网并形成计算网格；
S5、建立冷气域的渗透模型，并计算冷气域的渗透率和损失系数，所述渗透率的计算公式为所述损失系数的计算公式为/>μ、Vc、L、ΔP、ρ均为流场参数，其中，μ为流体粘性系数，Vc为气膜孔出口速度，L为气膜孔长度，ΔP为气膜孔进出口压差，ρ为流体密度；
S6、基于孔隙率修正渗透率和损失系数，所述渗透率的修正公式为所述损失系数的修正公式为/>其中，KV为速度相修正系数；
S7、基于修正后的渗透率和损失系数，将冷气域与主流域进行逐步耦合计算后输出冷气域内各气膜孔的平均流动参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S2中，冷气域中冷气域总容积为冷气域的容积，有效流通容积为冷气域内所有气膜孔的容积之和，且冷气域中有效流通容积与冷气域总容积之间的比值范围为0.2～0.6。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤S3中，冷气域的几何参数和孔隙率是根据有效流通容积与冷气域总容积之间的比值确定的。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤S4中，计算网格为规则的六面体网格。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：计算网格内每个网格的大小为气膜孔直径的1/3～1/10。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：Vc为冷气域与涡轮叶片外表面燃气侧的第一交界面流量平均值、ΔP为冷气域与其两侧流体域的第二交界面的面积平均静压减去第一交界面的面积平均静压的值、ρ为冷气域的两侧流体域第二交界面和第一交界面的流量平均值的平均值。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：渗透模型参数的速度项的修正公式中kV＝10.657K3+3.132K2-1.625K+1.027,其中，K为孔隙率。
8.根据权利要求1～7任一项所述的方法，其特征在于：还包括步骤S8，涡轮叶片持续计算过程中，实时获取涡轮叶片中流场参数，经多次迭代计算直到计算结果收敛，获得冷气域内各气膜孔的平均流动参数。
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