CN114266123B - 一种双层壁冷却结构流量传输系统 - Google Patents

Abstract

一种双层壁冷却结构流量传输系统，涉及双层壁冷却结构流量设计技术领域，解决现有方法需要设计人员有丰富的经验以及需要人的介入，无法构建脱离人的自动优化系统等问题，该系统包括流量自动识别模块、流量优先级矩阵D计算模块和流量传输矩阵迭代修正模块；本发明在已知双层壁冷却结构冲击孔入口和气膜孔出口的流量下，能够计算出每一个冲击孔分配到每一个气膜孔的流量。双层壁冷却结构的流路不是通过结构去约束的，而是流体在入口出口压力给定情况下的自行分配，因此，常用的流体网络法无法计算出双层壁冷却结构的流量分配。本发明的流量矩阵明确指出了双层壁冷却结构中所有流体的去向，利用该结果能够有效指导冷却结构的设计。

Description

一种双层壁冷却结构流量传输系统

技术领域

本发明涉及双层壁冷却结构流量设计技术领域，具体涉及一种双层壁冷却结构流量传输系统。

背景技术

双层壁冷却结构综合了冲击冷却、气膜冷却和对流冷却三种冷却形式，相较于其他冷却结构有较高的冷却效率，是一种先进的冷却结构。双层壁冷却结构的设计一般是通过选取适当的孔径比、孔间距、壁厚等几何参数，从而确定一个冷却单元的结构，再对冷却单元进行阵列得到最终的冷却结构，结构优化也是通过调整上述几何参数获得更高的冷却效率来实现的。这样设计出的双层壁冷却结构在不同的区域高度重复，流量的分配比较平均，使得在结构寿命低的区域冷却不足，在结构寿命高的区域冷却过于充足。在实际应用中，结构等强度是设计人员应当追求的理想状态，因为等强度意味着已有资源的最充分利用。目前的双层壁冷却结构明显没有达到等强度的状态。通过调整每个区域的冷气流量，使恶劣区域增强冷却，降低温度，提高寿命，而寿命高的区域反之减弱冷却，是一种结构等强度优化的思路。传统的优化方法是人工观察超温区或寿命低的区域，修改该区域的冷却结构，以增强冷却。这种方法需要设计人员有丰富的经验以及需要人的介入，无法构建脱离人的自动优化系统。

因此，如何根据双层壁冷却结构已有的流量信息和寿命场，自动锁定结构修改位置，从而能够更有效地增强(或减弱)目标区域的冷却，是实现双层壁冷却结构等强度设计及优化必须要解决的技术问题。

发明内容

本发明为解决现有方法需要设计人员有丰富的经验以及需要人的介入，无法构建脱离人的自动优化系统等问题，提供一种双层壁冷却结构流量传输系统。

一种双层壁冷却结构流量传输系统，包括流量自动识别模块、流量优先级矩阵D计算模块和流量传输矩阵迭代修正模块；

所述流量自动识别模块读取输入的双层壁冷却结构数值模拟结果，计算真实的冲击孔流量和真实的气膜孔流量；

所述流量优先级矩阵D计算模块根据所有孔之间的间距，计算孔之孔间的相对坐标，然后根据相对坐标统计冲击孔i到气膜孔j的竞争孔数量；

对所述竞争孔数量从小到大排序，获得流量优先级矩阵D；

所述流量传输矩阵迭代修正模块根据所述流量优先级矩阵D的优先级初始化流量矩阵I，然后进行流量矩阵I的迭代修正；设定最大迭代步数和残差收敛值，具体修正过程为：

步骤A、根据当前迭代步数的流量矩阵I，计算气膜孔出口流量Iout_ite，并采用所述流量自动识别模块计算的真实的气膜孔流量Iout与所述计算气膜孔出口流量Iout_ite做商，获得商Iout_change，采用商Iout_change修正气膜孔出口流量Iout_ite，具体步骤如下：针对某一气膜孔j，冲击孔i对其分配的流量为I_ij，令修正后的I_ij＝I_ij×Iout_change_j；对所有气膜孔都完成修正后，所述气膜孔出口流量Iout_ite与真实的气膜孔流量Iout相等；

步骤B、采用真实冲击孔流量修正流量矩阵I；

首先根据当前迭代步数的流量矩阵I，计算当前冲击孔的入口流量Iin_ite，采用所述流量自动识别模块计算的真实冲击孔流量Iin和所述计算冲击孔的入口流量Iin_ite做差，获得差值Iin_change；采用差值Iin_change修正所述冲击孔的入口流量Iin_ite；对于某一冲击孔i，具体修正过程为：

步骤B1、判断所述冲击孔的入口流量Iin_ite是否大于真实的冲击孔流量Iin，如果是，找到该冲击孔分配到的优先级最低的气膜孔，设定其优先级为n，执行步骤B2；如果否，执行步骤B3；

步骤B2、在n级气膜孔上等比例减少流量，当所述冲击孔的入口流量Iin_ite等于真实的冲击孔流量Iin时，则冲击孔i修正完成，执行步骤B4；

步骤B3、找到该冲击孔分配到的优先级最低的气膜孔，设定优先级为n，统计n+1级气膜孔数量，在n+1级气膜孔增大同样大小的流量，直至所述冲击孔的入口流量Iin_ite等于真实的冲击孔流量Iin时，冲击孔i修正完成，执行步骤B4；

步骤B4、若所有的冲击孔都完成修正，则所述冲击孔的入口流量与真实的冲击孔流量相等，输出流量传输矩阵I，执行步骤C；否则对没有修正的冲击孔执行步骤B1；

步骤C、计算残差；

对所述流量传输矩阵I的每行求和，获得冲击孔流量，对矩阵每列求和，获得气膜孔流量，并计算所述冲击孔流量与气膜孔流量的和，获得计算流量值；

计算所述真实的冲击孔流量与所述真实的气膜孔流量的和，获得真实流量值，将所述真实流量值与计算流量值作差，获得差值即为残差；

步骤D、判断所述残差是否小于设定的残差收敛值或者迭代步数是否大于设定的最大迭代步数，如果是，则结束迭代，输出流量传输矩阵I；如果否，迭代步数加1，返回执行步骤A。

本发明的有益效果：本发明在已知双层壁冷却结构冲击孔入口和气膜孔出口的流量下，能够计算出每一个冲击孔分配到每一个气膜孔的流量。传统管网法也是针对冷却结构建模，然后计算出流路的流量，但是传统管网法无法解出双层壁冷却结构中每一个冲击孔分配到每一个气膜孔的流量，这是因为管网法的搭建需要抽象出特征明显的冷却结构，比如管、腔、孔、篦齿等，但是双层壁冷却结构却无法归类到已有的特征中。双层壁冷却结构的流路不是通过结构去约束的，而是流体在入口出口压力给定情况下的自行分配，因此至今并没有一种方法能够计算出双层壁冷却结构的流量分配。

本发明所述系统获得的流量矩阵明确给出了双层壁冷却结构中所有流体的去向，利用该结果能够有效指导冷却结构的设计。例如若想增大某一冲击孔的流量，那增大哪一个气膜孔的直径能够最有效地达到目标，只需观察流量矩阵，找到该冲击孔最多的流量分配到了哪一个气膜孔即可。

附图说明

图1为本发明所述的一种双层壁冷却结构流量传输系统的原理图；

图2为流量传输矩阵迭代修正模块的修正过程流程图；

图3为采用真实的冲击孔流量修正流量矩阵的流程图；

图4为冲击孔i到气膜孔j的竞争孔统计示意图。

具体实施方式

结合图1至图4说明本实施方式，一种双层壁冷却结构流量传输系统，通过建立双层壁冷却结构流量传输模型，该模型最终呈现效果为一个大小为N×M的流量传输矩阵I_N×M，行数N是冲击孔数量，列数N是气膜孔数量，矩阵中每一个元素I_ij指冲击孔i传输给气膜孔j的流量。本模型包括流量自动识别模块、流量优先级矩阵D计算模块和流量传输矩阵I_N×M迭代修正模块；

如图1所示，为实现整个流程的自动化，需要编写一套流量自动识别模块，该模块能够自动打开数值模拟结果文件(如准备好数值模拟的结果cas和dat文件)，程序运行后，首先打开FLUENT商业软件，然后根据预先设计好脚本自动创建好统计冲击孔和气膜孔流量用的截面，计算真实的冲击孔流量和真实的气膜孔流量，读取孔圆心的绝对坐标，最后将孔流量和孔圆心的绝对坐标作为模型的输入。

对于一个确定的气膜孔，它流出的流量一定是多个冲击孔提供的，可以认为这些冲击孔之间存在竞争关系，依据此思路定义流量优先级矩阵D。模拟流体流动，而流量优先级矩D指导了算法按照一定的先后顺序分配流量。形式上，流量优先级矩阵D_N×M阵是一个大小为N×M的矩阵，矩阵中的元素D_ij意味着冲击孔i运输流量给气膜孔j的难度，数字越高难度越大。将双层壁冲击孔和气膜孔的相对坐标作为输入，就可以得到初始的流量优先级矩阵D。

具体的过程为：将孔间距作为输入条件(气膜孔与气膜孔、冲击孔与冲击孔以及气膜孔与冲击孔之间的间距作为输入条件)，计算出孔之间的相对坐标，以一个气膜孔M_j作为圆心，以一个冲击孔N_i和该气膜孔的距离作为半径做一个圆，圆内的其他冲击孔就是该冲击孔的竞争孔。依次遍历得到一个N×M的矩阵，然后在矩阵的每行内排大小，竞争孔最少的是优先级最高的，定为1级孔，依次2级、3级…最后得到流量优先级矩阵D。

如图4所示，以冲击孔8和气膜孔9为例，以气膜孔9为圆心，冲击孔8到气膜孔9的距离为半径做圆，在圆内还存在冲击孔3、5、6、9，这四个孔即为冲击孔8的竞争孔。

如图2和图3所示，所述流量传输矩阵迭代修正模块分别进行流量矩阵I的初始化和流量矩阵I的迭代修正；

流量矩阵I的初始化；根据流量优先级矩阵D先初始化流量矩阵I，初始化的步骤为：统计每个冲击孔优先级为1级的气膜孔的数量，将冲击孔流入的流量均分到1级气膜孔；然后进行流量矩阵I的迭代修正。

在得到初始化的流量矩阵I和流量优先级矩阵D后，利用冲击孔流入和气膜孔流出的流量对流量矩阵I进行修正。修正的核心在于反复利用真实的冲击孔和气膜孔的流量和模型的流量做比较，一方面使模型计算出的结果逐渐靠近真实值，另一方面保证流量的分配满足物理上的真实。具体过程如下：

给定算法的最大迭代步数和残差收敛值；

步骤A、根据目前迭代步数的流量矩阵I计算气膜孔出口流量Iout_ite，利用真实的气膜孔流量Iout和Iout_ite做商，得到商Iout_change，商Iout_change意味着若模型的气膜孔流量要等于真实的气膜孔流量，则每个分配到该气膜孔的冲击孔的流量需增大Iout_change倍，所以下一步利用Iout_change修正流量矩阵I，此时的流量矩阵I计算出的气膜孔流量符合真实情况，但是计算出的冲击孔流量和真实又有出入，所以再利用真实的冲击孔流量修正流量矩阵I。利用Iout_change修正流量矩阵I，过程为：针对某一气膜孔j，冲击孔i对其分配的流量为I_ij，令修正后的I_ij＝I_ij×Iout_change_j。对所有气膜孔都完成修正后，所述气膜孔出口流量Iout_ite与真实的气膜孔流量Iout相等。

本实施方式中，Iout_change是一个M×1的矩阵，矩阵中第j个元素是针对第j个气膜孔而言，真实流量和模型求解出的流量之比。迭代修正的目标就是使模型求解出的流量等于真实流量，即Iout_change中的元素等于1。迭代过程中Iout_change中的元素一般大于或小于1，这意味着若模型求解的气膜孔流量要等于真实的气膜孔流量，求解的气膜孔流量应该增大或减小Iout_change倍。气膜孔的流量来源于和它有流量运输关系的冲击孔，所以这些冲击孔分配到该气膜孔的流量需增大或减小Iout_change倍。在每个气膜孔都修正完毕后，此时的流量矩阵I每一列的和，即模型求解的气膜孔流量应当与真实的气膜孔流量相等，但矩阵I每一行的和，即模型求解的冲击孔流量和真实值会出现差异。

然后利用真实的冲击孔流量修正流量矩阵I；见图3。具体步骤如下：

步骤B、采用真实冲击孔流量修正流量矩阵I；

首先根据当前迭代步数的流量矩阵I，计算当前冲击孔的入口流量Iin_ite，采用所述流量自动识别模块计算的真实冲击孔流量Iin和所述计算冲击孔的入口流量Iin_ite做差，获得差值Iin_change；采用差值Iin_change修正所述冲击孔的入口流量Iin_ite；对于某一冲击孔i，具体修正过程为：

步骤B1、判断所述冲击孔的入口流量Iin_ite是否大于真实的冲击孔流量Iin，如果是，找到该冲击孔分配到的优先级最低的气膜孔，设定其优先级为n，执行步骤B2；如果否，执行步骤B3；

步骤B2、在n级气膜孔上等比例减少流量，当所述冲击孔的入口流量Iin_ite等于真实的冲击孔流量Iin时，则冲击孔i修正完成，执行步骤B4；

步骤B3、找到该冲击孔分配到的优先级最低的气膜孔，设定优先级为n，统计n+1级气膜孔数量，在n+1级气膜孔增大同样大小的流量，直至所述冲击孔的入口流量Iin_ite等于真实的冲击孔流量Iin时，冲击孔i修正完成，执行步骤B4；

步骤B4、若所有的冲击孔都完成修正，则所述冲击孔的入口流量与真实的冲击孔流量相等，输出流量传输矩阵I，执行步骤C；否则对没有修正的冲击孔执行步骤B1；

步骤C、计算残差；

对所述流量传输矩阵I的每行求和，获得冲击孔流量，对矩阵每列求和，获得气膜孔流量，并计算所述冲击孔流量与气膜孔流量的和，获得计算流量值；

计算所述真实的冲击孔流量与所述真实的气膜孔流量的和，获得真实流量值，将所述真实流量值与计算流量值作差，获得差值即为残差；

步骤D、判断所述残差是否小于设定的残差收敛值或者迭代步数是否大于设定的最大迭代步数，如果是，则结束迭代，输出流量传输矩阵I；如果否，迭代步数加1，返回执行步骤A。

本实施方式所述的步骤B2中，当n级气膜孔的流量均变为0时且所述冲击孔的入口流量仍大于真实的冲击孔流量，则令n＝n-1，重复执行步骤B2，直至计算获得的冲击孔入口流量等于真实的冲击孔流量，执行步骤C。

本实施方式中，利用真实的冲击孔流量修正流量矩阵I；先根据当前迭代步数的流量矩阵I计算冲击孔的流量Iin_ite，利用真实的冲击孔流量Iin和Iin_ite做差，得到差Iin_change，差Iin_change意味着若模型的冲击孔流量要等于真实的冲击孔流量，则每个冲击孔需要增加(或减少)Iin_change这么大的流量，利用优先级矩阵D将Iin_change的流量逐级增加(或逐级减少)，这保证了最后的结果优先级高的气膜孔能够分配到更多流量，使得结果更加真实。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种双层壁冷却结构流量传输系统，该传输系统包括流量自动识别模块、流量优先级矩阵D计算模块和流量传输矩阵迭代修正模块；其特征是：

所述流量自动识别模块读取输入的双层壁冷却结构数值模拟结果，计算真实的冲击孔流量和真实的气膜孔流量；

所述流量优先级矩阵D计算模块根据所有孔之间的间距，计算孔与孔间的相对坐标，然后根据相对坐标统计冲击孔i到气膜孔j的竞争孔数量；

对所述竞争孔数量从小到大排序，获得流量优先级矩阵D；

所述流量传输矩阵迭代修正模块根据所述流量优先级矩阵D的优先级初始化流量矩阵I，然后进行流量矩阵I的迭代修正；设定最大迭代步数和残差收敛值，具体修正过程为：

步骤A、根据当前迭代步数的流量矩阵I，计算气膜孔出口流量Iout_ite，并采用所述流量自动识别模块计算的真实的气膜孔流量Iout与所述气膜孔出口流量Iout_ite做商，获得商Iout_change，采用商Iout_change修正气膜孔出口流量Iout_ite；

具体步骤如下：针对某一气膜孔j，冲击孔i对其分配的流量为I_ij，令修正后的I_ij＝I_ij×Iout_change_j；对所有气膜孔都完成修正后，所述气膜孔出口流量Iout_ite与真实的气膜孔流量Iout相等；

步骤B、采用真实冲击孔流量修正流量矩阵I；

首先根据当前迭代步数的流量矩阵I，计算冲击孔的入口流量Iin_ite，采用所述流量自动识别模块计算的真实冲击孔流量Iin和所述冲击孔的入口流量Iin_ite做差，获得差值Iin_change；采用差值Iin_change修正所述冲击孔的入口流量Iin_ite；对于某一冲击孔i，具体修正过程为：

步骤B1、判断所述冲击孔的入口流量Iin_ite是否大于真实的冲击孔流量Iin，如果是，找到该冲击孔分配到的优先级最低的气膜孔，设定其优先级为n，执行步骤B2；如果否，执行步骤B3；

步骤B2、在n级气膜孔上等比例减少流量，当所述冲击孔的入口流量Iin_ite等于真实的冲击孔流量Iin时，则冲击孔i修正完成，执行步骤B4；

步骤B3、找到该冲击孔分配到的优先级最低的气膜孔，设定优先级为n，统计n+1级气膜孔数量，在n+1级气膜孔增大同样大小的流量，直至所述冲击孔的入口流量Iin_ite等于真实的冲击孔流量Iin时，冲击孔i修正完成，执行步骤B4；

步骤B4、若所有的冲击孔都完成修正，则所述冲击孔的入口流量与真实的冲击孔流量相等，输出流量传输矩阵I，执行步骤C；否则对没有修正的冲击孔执行步骤B1；

步骤C、计算残差；

对所述流量传输矩阵I的每行求和，获得冲击孔流量，对矩阵每列求和，获得气膜孔流量，并计算所述冲击孔流量与气膜孔流量的和，获得计算流量值；

计算所述真实的冲击孔流量与所述真实的气膜孔流量的和，获得真实流量值，将所述真实流量值与计算流量值作差，获得差值即为残差；

步骤D、判断所述残差是否小于设定的残差收敛值或者迭代步数是否大于设定的最大迭代步数，如果是，则结束迭代，输出流量传输矩阵I；如果否，迭代步数加1，返回执行步骤A。

2.根据权利要求1所述的一种双层壁冷却结构流量传输系统，其特征在于：步骤B2中，当n级气膜孔的流量均变为0时且所述冲击孔的入口流量仍大于真实的冲击孔流量，则令n＝n-1，重复执行步骤B2，直至计算获得的冲击孔的入口流量等于真实的冲击孔流量，执行步骤C。

3.根据权利要求1所述的一种双层壁冷却结构流量传输系统，其特征在于：所述流量优先级矩阵D的具体获取过程为：将气膜孔与气膜孔、冲击孔与冲击孔以及气膜孔与冲击孔之间的间距作为输入条件，计算出孔之间的相对坐标，以一个气膜孔M_j作为圆心，以一个冲击孔N_i和该气膜孔的距离作为半径做一个圆，圆内的其他冲击孔就是该冲击孔的竞争孔；

依次遍历得到一个N×M的矩阵，然后在矩阵的每行内排大小，竞争孔最少的是优先级最高的，定为1级孔，依次2级孔、3级…最后得到流量优先级矩阵D。

4.根据权利要求1所述的一种双层壁冷却结构流量传输系统，其特征在于：

所述流量优先级矩D为N×M的矩阵，矩阵中的元素D_ij表示冲击孔i运输流量给气膜孔j的难度，数字越高难度越大。

5.根据权利要求1所述的一种双层壁冷却结构流量传输系统，其特征在于：初始化流量矩阵I的初始化过程为：统计每个冲击孔优先级为1级的气膜孔的数量，将冲击孔流入的流量均分到1级气膜孔。

Images