CN116595599A - 一种压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于燃气轮机中压气机及其处理机匣三维仿真分析技术领域，具体涉及一种压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法，可以完善从业单位内部基于仿真分析的处理机匣设计体系，提高设计和分析能力，将仿真分析的前处理时间由数小时或几天，缩短至1分钟左右，能够显著提升设计迭代效率，避免投入大量的低价值的重复人工操作，节约人力资源。

Description

一种压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法

技术领域

本申请属于燃气轮机中压气机及其处理机匣三维仿真分析技术领域，具体涉及一种压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法。

背景技术

压气机是燃气轮机的主要部件，其稳定裕度直接决定着整台发动机稳定性的高低。

为提高燃气轮机中压气机稳定裕度，设计采用处理机匣，处理机匣主要包括周向槽类型处理机匣、轴向槽类型处理机匣，其中，相较于周向槽类型处理机匣，轴向槽类型处理机匣具有更好的扩稳能力及通用性。

当前，压气机轴向槽类型处理机匣气动设计，缺乏成熟的低维度设计方法和技术体系支撑，严重依赖于三维仿真分析技术，在方案设计迭代过程中往往需要开展很多次三维仿真计算分析。

压气机处理机匣三维仿真计算分析中，前处理任务“气动仿真建模及网格离散”占据80％以上的时间周期，首先，利用建模软件，例如UG、CATIA、AUTODESK等，完成处理机匣结构建模，获得处理机匣处理槽的边缘轮廓线，然后，将边缘轮廓线导入压气机三维气动仿真软件配套或通用的仿真前处理网格离散软件模块，例如NUMECA的IGG、通用化的ICEM等，利用前处理软件内置的各种有关功能完成网格离散，该种技术方案存在以下缺陷：

1)操作多，耗时长，针对一个确定的处理机匣设计方案，需要利用建模软件，例如UG内置的各层级几何元素创建及布尔运算等功能逐步实施、完成，获得相应的三维模型，再从处理机匣三维模型中抽取处理槽特征轮廓线导入网格离散软件，例如IGG，利用网格离散软件内置的各种有关功能进行辅助几何元素创建、网格拓扑设计和构建、网格块与几何元素吸附、网格边界点数目和分布形式设定、生成三维离散网格以及边界条件设定等一系列工作，完成该系列工作往往需要花费数个小时，对于相对复杂的处理机匣方案，甚至要耗费一天甚至更多的时日，致使仿真分析周期较长，难以满足设计方案，快速迭代的需求；

2)技术门槛高，对于缺少相关经历、技术经验积累的设计研究人员，或者初级从业者，需要首先投入大量的时间精力学习使用相关软件和实践锻炼，总结经验技巧，且需要具有丰富实践经验的技术人员进行专业指导，才能正式尝试开展处理机匣仿真前处理工作；

3)专业分工细，难以协同，压气机及所属的燃气轮机属于典型的技术密集型行业，为了深化产品研究设计水平，各单位内部专业细分程度较高，结构设计专业与气动设计专业以相对独立的状态协同推进多种设计项目，对于未按照单一项目建立集成产品开发团队的情况，通常会由于各种实际因素的影响而导致处理机匣三维建模与离散任务之间难以快速有效衔接，难以在短期内高效地完成处理机匣三维建模及仿真网格离散的任务。

鉴于上述技术缺陷的存在提出本申请。

需注意的是，以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本申请的目的是提供一种压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法，以克服或减轻已知存在的至少一方面的技术缺陷。

本申请的技术方案是：

一种压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法，包括：

IGG人工操作，完成处理机匣气动建模及网格离散，保存处理机匣网格文件，以及保存相应的脚本命令文件；

删除处理机匣气动建模及网格离散对应脚本命令文件中的无效命令，对处理机匣气动建模及网格离散对应的脚本命令文件进行精简；

AutoGrid人工操作，完成常规压气机气动仿真网格离散，保存压气机网格文件；

进入IGG界面，通过File/Import/IGG Project导入处理机匣网格文件、压气机网格文件，从Grid/Boundary Condition进入网格边界条件指定窗口，完成处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接，保存带处理机匣压气机网格文件，以及保存相应的脚本命令文件；

删除处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应脚本命令文件中的无效命令，对处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应的脚本命令文件进行精简；

合并处理机匣气动建模及网格离散、处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应的脚本命令文件；

编写能够更新合并的脚本命令文件中处理机匣几何模型参数、处理机匣网格离散参数、处理机匣网格路径、压气机网格路径、处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接参数信息的可执行程序；

进入IGG界面，通过File/Scripts/Execute选择并执行通过可执行更新的程序脚本文件，完成处理机匣气动模型的更新、气动模型的网格离散，以及处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接，保存带处理机匣压气机网格文件。

可选的上述的压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法中，处理机匣气动建模及网格离散对应脚本命令文件中的无效命令，包括处理机匣气动建模及离散过程中发生的误操作、重复操作、涉及网格面或网格块的中间临时性操作命令；

处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应脚本命令文件中的无效命令，包括处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接过程中发生的误操作、重复操作、涉及网格面或网格块的中间临时性操作命令。

可选的上述的压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法中，在处理机匣气动建模及网格离散对应脚本命令文件中，定位表征模型几何尺寸、形状及网格离散状况的数值，确定能够定位各信息所在位置的关键性标识或规则，并作记录；

在处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应脚本命令文件中，定位处理机匣网格所在路径、压气机网格所在路径、处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接命令及其参数，确定能够定位各信息所在位置的关键性标识或规则，并作记录。

附图说明

图1是现有基于IGG的处理机匣气动建模及网格离散示意图；

图2是本申请实施例提供的压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法的示意图。

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸，此外，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本申请的限制。

具体实施方式

为使本申请的技术方案及其优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的技术方案作进一步清楚、完整的详细描述，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅是本申请的部分实施例，其仅用于解释本申请，而非对本申请的限定。需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分，其他相关部分可参考通常设计，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的技术特征可以相互组合以得到新的实施例。

此外，除非另有定义，本申请描述中所使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内一般技术人员所理解的通常含义。本申请描述中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“中心”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等表示方位的词语仅用以表示相对的方向或者位置关系，而非暗示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，当被描述对象的绝对位置发生改变后，其相对位置关系也可能发生相应的改变，因此不能理解为对本申请的限制。本申请描述中所使用的“第一”、“第二”、“第三”以及类似用语，仅用于描述目的，用以区分不同的组成部分，而不能够将其理解为指示或暗示相对重要性。本申请描述中所使用的“一个”、“一”或者“该”等类似词语，不应理解为对数量的绝对限制，而应理解为存在至少一个。本申请描述中所使用的“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

此外，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，在本申请的描述中使用的“安装”、“相连”、“连接”等类似词语应做广义理解，例如，连接可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，领域内技术人员可根据具体情况理解其在本申请中的具体含义。

NUMECA仿真软件中有两个网格离散功能模块AutoGrid、IGG，其中，AutoGrid为高度自动化的网格离散模块，主要用于常规压气机气动仿真网格离散；IGG为交互式网格离散模块，常用于完成特殊压气机特征的气动仿真网格离散，例如引/放气网格、篦齿封严网格、处理机匣网格等。

IGG不仅具备网格离散功能，还提供了较多的几何建模功能，允许构建点、线和面等基本元素，也允许进一步开展曲线旋转、曲面相交等多种几何运算，灵活合理地利用这些建模功能，可以方便的实现对处理机匣的建模，继而进行网格离散。如图1所示的自循环处理机匣，包括前、后两排处理槽和连接二者的回转体式的容腔，通过IGG提供的各层级几何建模命令完成几何框架构建，而后插入面网格或体网格并吸附到对应几何曲线，设置网格节点数目和密度分布，通过网格面旋转或网格块复制/移动等功能完成处理机匣网格离散，指定网格块周期性及边界类型，保存网格文件。

IGG还提供了一个强有力的、基于面向对象语言Python的脚本工具，每一种几何建模及网格离散操作都存在对应的脚本命令，会随界面内的操作同步记录和保存在脚本文件中，脚本文件可重复的运行复现几何建模和离散过程，涉及数值操作的脚本命令都带有数值参数，以此，用户可将大量、类似的重复性几何建模及网格离散任务进行快速自动化执行。

本申请提供的压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法，核心思路是在IGG人工完成处理机匣几何建模、网格离散以及处理机匣与压气机网格拼接，保存完成脚本命令文件的基础上，通过编写程序快速更新脚本命令文件中与处理机匣几何形状、尺寸、网格离散控制，以及与拼接有关的数值信息，以IGG自动运行更新的脚本命令文件，快速获得带处理机匣网格的压气机仿真离散网格，如图2所示。

步骤一：IGG人工操作，完成处理机匣气动建模及网格离散，包括边界类型和周期性指定等完备信息，保存处理机匣网格文件，以及保存相应的脚本命令文件，格式为*.py；

步骤二：删除步骤一所得脚本命令文件中无效的脚本命令，例如处理机匣气动建模及离散过程中发生的误操作、重复操作、涉及网格面或网格块的中间临时性操作命令等，保留完成处理机匣建模及网格离散的最精简脚本命令集，保持各脚本命令先后顺序不变；

步骤三：步骤二所得精简脚本命令文件中，定位表征模型几何尺寸、形状及网格离散状况的数值，确定能够定位各信息所在位置的关键性标识或规则，例如特定的字符串，并作记录；

步骤四：AutoGrid人工操作，完成常规压气机气动仿真网格离散，保存压气机网格文件；

步骤五：进入IGG界面，通过File/Import/IGG Project导入处理机匣网格文件、压气机网格文件，从Grid/Boundary Condition进入网格边界条件指定窗口，完成处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接，保存带处理机匣压气机网格文件，以及保存相应的脚本命令文件；

步骤六：删除步骤五所得脚本命令文件中无效的脚本命令，例如完成处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接过程中发生的误操作、重复操作、涉及网格面或网格块的中间临时性操作命令等，保留完成处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接的最精简脚本命令集，保持的各脚本命令先后顺序不变；

步骤七：步骤六所得精简脚本命令文件中，定位压气机网格所在路径、处理机匣网格所在路径、完全非匹配连接命令及其参数，确定可以定位各信息所在位置的关键性标识或规则，例如特定字符串，并作记录；

步骤八：合并步骤二、步骤六精简所得脚本命令文件；

步骤九：编写能够更新合并的脚本命令文件中处理机匣几何模型参数、处理机匣网格离散参数、处理机匣网格路径、压气机网格路径、处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接参数信息的可执行程序，该可执行程序可以Fortran语言进行编写，其输入包括更新参数前的步骤八所得脚本命令文件、含有处理机匣几何模型更新参数、网格离散控制更新参数、网格路径等信息的文本文件，输出为处理机匣气动建模、网格离散以及与压气机网格间完全非匹配连接控制参数更新后的脚本文件；

步骤十：重新进入IGG界面，通过File/Scripts/Execute选择并执行第步骤九编写的可执行程序脚本文件，IGG自动按照先后顺序遍历执行各脚本命令，快速完成处理机匣气动模型的更新、气动模型的网格离散，以及处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接，保存带处理机匣压气机网格文件，提供可用于气动仿真计算的网格。

本申请实施例公开的压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法，基于IGG的脚本命令及记录功能，通过IGG内一次性完成处理机匣气动建模、网格离散以及与压气机网格的拼接，获得必要且完整的可用于处理机匣建模、网格离散以及与压气机网格间完全非匹配连接的脚本命令文件，定位文件内与处理机匣几何尺寸、形状、网格离散控制以及完全非匹配连接有关的数值和信息，编写可以更新合并的脚本命令文件中处理机匣几何模型参数、处理机匣网格离散参数、处理机匣网格路径、压气机网格路径、处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接参数信息的可执行程序，从输入文件内读取包含新处理机匣气动模型参数、网格离散控制参数以及压气机网格所在路径和处理机匣对应的叶排等信息，输出新的处理机匣气动建模、网格离散以及与压气机网格间完全非匹配连接的脚本文件，通过IGG内运行该脚本文件实现快速完成前处理工作。

本申请实施例公开的压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法，可以完善从业单位内部基于三维仿真分析的处理机匣设计体系，提高设计和分析能力，将仿真分析的前处理时间由数小时或几天，缩短至1分钟左右，能够显著提升设计迭代效率，避免投入大量的低价值的重复人工操作，节约人力资源。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，领域内技术人员应该理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式，在不偏离本申请的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本申请的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法，其特征在于，包括：

IGG人工操作，完成处理机匣气动建模及网格离散，保存处理机匣网格文件，以及保存相应的脚本命令文件；

删除处理机匣气动建模及网格离散对应脚本命令文件中的无效命令，对处理机匣气动建模及网格离散对应的脚本命令文件进行精简；

AutoGrid人工操作，完成常规压气机气动仿真网格离散，保存压气机网格文件；

进入IGG界面，通过File/Import/IGG Project导入处理机匣网格文件、压气机网格文件，从Grid/Boundary Condition进入网格边界条件指定窗口，完成处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接，保存带处理机匣压气机网格文件，以及保存相应的脚本命令文件；

删除处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应脚本命令文件中的无效命令，对处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应的脚本命令文件进行精简；

合并处理机匣气动建模及网格离散、处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应的脚本命令文件；

编写能够更新合并的脚本命令文件中处理机匣几何模型参数、处理机匣网格离散参数、处理机匣网格路径、压气机网格路径、处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接参数信息的可执行程序；

进入IGG界面，通过File/Scripts/Execute选择并执行通过可执行程序更新的合并脚本文件，完成处理机匣气动模型的更新、气动模型的网格离散，以及处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接，保存带处理机匣压气机网格文件。

2.根据权利要求1所述的压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法，其特征在于，

处理机匣气动建模及网格离散对应脚本命令文件中的无效命令，包括处理机匣气动建模及离散过程中发生的误操作、重复操作、涉及网格面或网格块的中间临时性操作命令；

处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应脚本命令文件中的无效命令，包括处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接过程中发生的误操作、重复操作、涉及网格面或网格块的中间临时性操作命令。

3.根据权利要求1所述的压气机及其处理机匣气动仿真建模及网格离散方法，其特征在于，

在处理机匣气动建模及网格离散对应脚本命令文件中，定位表征模型几何尺寸、形状及网格离散状况的数值，确定能够定位各信息所在位置的关键性标识或规则，并作记录；

在处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接对应脚本命令文件中，定位处理机匣网格所在路径、压气机网格所在路径、处理机匣网格与压气机网格间完全非匹配连接命令及其参数，确定能够定位各信息所在位置的关键性标识或规则，并作记录。