CN116894298A - 基于cfd/s2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，属于轴流压气机技术领域；方法步骤为：通过S2流面通流分析，获得多级轴流压气机总压比和效率，以及内部叶片排之间的流场参数分布；确定选定叶片排CFD数值模拟的边界条件；对选定叶片排进行CFD数值模拟，待计算收敛后，提取三维CFD结果经周向平均后的叶片排前后缘气动参数；对多级压气机进行通流分析计算；将步骤1至步骤4作为混合维度方法的一次迭代，经过多次迭代且每次迭代中通流分析和CFD均收敛，迭代停止，根据最后一次迭代中CFD结果再进行一次通流分析计算，其结果作为多级轴流压气机的预测特性。本发明减小了基于CFD技术的多级压气机优化过程中大量流场计算的问题。

Description

基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法

技术领域

本发明属于轴流压气机技术领域，具体涉及一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法。

背景技术

随着航空发动机的效率、推重比、可靠性、噪声和污染排放水平的不断提升，作为航空发动机核心机三大部件之一的多级轴流压气机，先进航空发动机对其性能的要求也在不断提高。然而，多级轴流压气机研制需要耗费大量的人力、物力和财力。

为了减少多级轴流压气机设计过程中的往复循环迭代或者修正次数，压气机的气动优化设计方法近年来一直是研究人员关心的领域，它基于CFD流场计算来评价设计方案的性能，并结合适当的优化算法实现对最优设计方案的搜索。虽然目前的计算能力相比于过去已经有了长足的进步，但CFD流场计算成本仍然巨大，尤其是设计过程中敏感的时间成本，当对多级轴流压气机进行优化时，由于优化规模与设计变量数目成指数关系增长，多级导致的设计变量成倍增加会消耗巨额的计算时间。

使用流线曲率法进行S2流面通流分析的计算速度快，但通流分析结果的准确性依赖于大量叶栅吹风实验以及压气机整机实验结果组成的系统化的实验数据库，并且由于轴对称假设，通流分析不能准确预测三维流动效应的影响；CFD数值模拟计算精度高，可以给出流场细节，但是计算速度慢，计算成本大，受到当前的计算机水平和湍流模型的限制。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，减小了基于CFD技术的多级压气机优化过程中大量流场计算的问题。

本发明的技术方案是：一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，具体步骤如下：

步骤1:通过S2流面通流分析，获得多级轴流压气机总压比和效率，以及内部叶片排之间的流场参数分布；

步骤2:提取通流分析结果中选定叶片排前后缘沿径向分布的流场参数作为选定叶片排CFD数值模拟的边界条件；

步骤3:对选定叶片排进行CFD数值模拟，待计算收敛后，提取三维CFD结果经周向平均后的叶片排前后缘气动参数；

步骤4:根据步骤3中得到的气动参数，计算出选定叶片排后缘沿径向分布的压比和效率，或者环量和总压恢复系数，更新通流分析输入文件中选定叶片排后缘站预给定参数，然后对多级压气机进行通流分析计算；

步骤5:将步骤1至步骤4作为混合维度方法的一次迭代，经过多次迭代且每次迭代中通流分析和CFD均收敛，迭代停止，根据最后一次迭代中CFD结果再进行一次通流分析计算，其结果作为多级轴流压气机的预测特性。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤1中S2流面通流分析包括两重循环，内层循环采用流线曲率法求解S2流面设计问题，得到跨音速流场气动参数分布；外层循环根据内层循环的结果代入落后角模型及损失模型，得到新的环量和效率分布后再代入内层循环重新计算。

本发明的进一步技术方案是：所述内层循环包括以下步骤：

步骤1.1：首先根据等面积原则假定流线的位置，然后沿叶片排前后缘在子午面的投影设置计算站，沿计算站按顺序进行计算；

步骤1.2：把全部计算站计算完毕后，求出每一个计算站上的压强分布、流速分布和流量分布后，将各计算站的等流量点用光滑样条曲线相连，得到新的流线；

步骤1.3：将新流线与参与计算的初始流线位置进行对比，如果差值在误差限范围之内则认为收敛，内层循环结束；式中，/>为第n次迭代时的径向坐标，ε_r为误差标准；

步骤1.4：若未收敛，根据步骤1.2中的流线重新计算各计算站上的气流参数，再得到新的流线，直到计算出的流线与给定作为已知的流线位置基本上重合。

本发明的进一步技术方案是：所述外层循环包括以下步骤：

步骤1.5：先假定叶片排后缘计算站的压比π和效率η，环量V_θr和总压恢复系数σ沿展向的分布，进入内层循环，采用设计问题形式的完全径向平衡方程和连续方程求解出S2面的流场分布；

步骤1.6：引入落后角模型与损失模型，将得到的流场参数代入模型算出落后角δ和损失系数

步骤1.7根据步骤1.6中模型结果，即落后角δ和损失系数计算出落后角对应的压比π和环量rV_θ、损失系数对应的效率η和总压恢复系数σ；

步骤1.8将步骤1.7中的计算结果与S2流面通流分析输入文件中的环量、效率对比，若满足收敛标准，则结束循环，否则根据新的环量与效率重新开始内层循环。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤2中选定叶片排CFD数值模拟的边界条件包括：

进口边界条件为沿径向分布的气流方向、总温T^*和总压P^*；

出口边界条件为质量流量

本发明的进一步技术方案是：所述沿径向分布的气流方向由径向分速度与绝对速度之比V_r/|V|、周向分速度与绝对速度之比V_t/|V|和轴向分速度与绝对速度之比V_z/|V|给定。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤3中提取三维CFD结果经周向平均后的叶片排前后缘气动参数包括以下步骤：

当选定叶片排为转子时，提取前后缘沿径向分布的总温T_rotor ^*和总压P_rotor ^*；

当选定叶片排为静子时，提取前缘沿径向分布的总压P_stator ^*，后缘径向分布的总压P_stator ^*和气流的周向分速度V_t。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，为避免靠近轮毂和机匣处CFD结果中非物理因素的干扰，计算5％到95％相对展向位置的选定叶片排后缘站预给定参数。

本发明的进一步技术方案是：所述步骤4中，计算中不使用损失和落后角模型更新选定叶片排后缘站上的参数。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1、本发明减小了对以实验数据为基础的损失和落后角模型的依赖，与现有的S2流面通流分析方法相比，提高了压气机特性的预测精度。

2、本发明只需要对多级轴流压气机中待优化的叶片排进行CFD模拟，与现有的对多级轴流压气机进行整机CFD模拟，计算量大大减小，且能够同时获得研究者关心的叶片排流场细节参数和整台压气机的特性状况。

3、本发明可以较好地综合通流分析和CFD的优点，尤其是将其应用于多级轴流压气机优化问题时，可以大幅减少优化时间与优化成本。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的实施例中迭代过程中的CFD收敛曲线，(a)为全局残差，(b)为质量流量。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

针对现有技术中基于CFD技术的多级压气机优化过程中大量流场计算的问题，本发明提出一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，方法步骤如下：

步骤1:通过S2流面通流分析，获得多级轴流压气机总压比和效率，以及内部叶片排之间的流场参数分布；

步骤2:提取通流分析结果中选定叶片排前后缘沿径向分布的流场参数作为选定叶片排CFD数值模拟的边界条件；

步骤3:对选定叶片排进行CFD数值模拟，待计算收敛后，提取三维CFD结果经周向平均后的叶片排前后缘气动参数；

步骤4:根据步骤3中得到的气动参数，计算出选定叶片排后缘沿径向分布的压比和效率(转子)，或者环量和总压恢复系数(静子)，更新通流分析输入文件中选定叶片排后缘站预给定参数，然后对多级压气机进行通流分析计算，计算中不使用损失和落后角模型更新选定叶片排后缘站上的参数；

步骤5:将步骤1至步骤4作为混合维度方法的一次迭代，经过多次迭代且每次迭代中通流分析和CFD均收敛，迭代停止，根据最后一次迭代中CFD结果再进行一次通流分析计算，其结果作为多级轴流压气机的预测特性。

本发明减小了对以实验数据为基础的损失和落后角模型的依赖，与现有的S2流面通流分析方法相比，提高了压气机特性的预测精度；而且本发明只需要对多级轴流压气机中待优化的叶片排进行CFD模拟，相比于对多级轴流压气机进行整机CFD模拟，计算量大大减小，且能够同时获得研究者关心的叶片排流场细节参数和整台压气机的特性状况。本发明可以较好地综合通流分析和CFD的优点，尤其是将其应用于多级轴流压气机优化问题时，可以大幅减少优化时间与优化成本。

实施例1：

本实施例一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，以某两级风扇为对象，将第一级静子作为选定叶片排，对其90％设计转速(9648r.p.m)下最高效率点工况(该工况下质量流量为73.65kg)进行特性预测。具体步骤如下：

步骤1:通过S2流面通流分析，获得该两级风扇的总压比和效率，以及内部叶片排之间的流场参数分布；

所述S2流面通流分析如下：

首先，采用设计问题的完全径向平衡方程来求解亚音速和跨音速流场的分析问题，须将气流角的分布变为环量的分布，环量rV_θ根据速度三角形可表示为：

rV_θ＝r(U+W_θ)＝r²ω+rV_mtanβ

式中，r为径向坐标，V_θ为气流绝对速度的圆周方向分速度，U为圆周速度，W_θ为气流相对速度的圆周方向分速度，ω为旋转角速度，V_m为气流子午面方向速度，β为相对气流角。

然后，可用分析问题已知气流角β的分布条件，通过前一次得到的V_m分布，计算得到设计问题所需要的环量分布，从而使用设计问题的方程求解流场。

所述通流分析分为两重循环，内层循环采用流线曲率法求解S2流面设计问题，得到跨音速流场气动参数分布；外层循环根据内层循环的结果代入落后角模型及损失模型，得到新的环量和效率分布后再代入内层循环重新计算。

所述内层循环包括以下步骤：

1)首先根据等面积原则假定流线的位置，然后沿叶片排前后缘在子午面的投影设置计算站，沿计算站按顺序进行计算；

2)把全部计算站计算完毕后，求出每一个计算站上的压强分布、流速分布和流量分布后，将各计算站的等流量点用光滑样条曲线相连，得到新的流线；

3)将新流线与参与计算的初始流线位置进行对比，如果差值在误差限范围之内则可认为收敛，内层循环结束；式中，/>为第n次迭代时的径向坐标，ε_r为误差标准。

若未收敛，根据2)中的流线重新计算各计算站上的气流参数，再求出新的流线来，直到计算出的流线与给定作为已知的流线位置基本上重合。

所述外层循环包括以下步骤：

1)先假定叶片排后缘计算站的压比π和效率η(转子)，环量rV_θ和总压恢复系数σ(静子)沿展向的分布，进入内层循环，采用设计问题形式的完全径向平衡方程和连续方程求解出S2面的流场分布；

2)引入落后角模型与损失模型，将得到的流场参数代入模型算出落后角δ和损失系数

3)根据2)中模型结果(落后角δ和损失系数)，计算出落后角对应的压比π和环量rV_θ、损失系数对应的效率η和总压恢复系数σ；

4)将3)中的计算结果与S2流面通流分析输入文件中的环量与效率对比，若满足收敛标准，则结束循环，否则根据新的环量与效率重新开始内层循环。

步骤2:提取通流分析结果中第一级静子前后缘沿径向分布的流场参数作为选定叶片排CFD数值模拟的边界条件，具体如下：

进口边界条件为沿径向分布的气流方向(由径向分速度与绝对速度之比V_r/|V|、周向分速度与绝对速度之比V_t/|V|和轴向分速度与绝对速度之比V_z/|V|给定)，总温T^*和总压P^*；

为与S2流面通流分析保持一致，出口边界条件质量流量设置为73.65kg。

步骤3:对第一级静子进行CFD数值模拟，待计算收敛后，提取前缘沿径向分布的总压P_stator ^*，后缘径向分布的总压P_stator ^*和气流的周向分速度V_t；

步骤4:根据步骤3中得到的气动参数，为避免靠近轮毂和机匣处CFD结果中非物理因素的干扰，计算第一级静子后缘5％到95％相对展向位置的沿径向分布的环量V_θr和总压恢复系数σ，更新通流分析输入文件中第一级静子后缘站预给定参数，然后对该两级风扇进行通流分析计算，计算中不使用损失和落后角模型更新第一级静子后缘站上的参数。

步骤5:将步骤1至步骤4作为混合维度方法的一次迭代，经过两次迭代且每次迭代中通流分析和CFD均收敛，迭代停止，根据第二次迭代中CFD结果最后再一次通流分析计算，得到该两级风扇的预测特性结果，总压比为2.448，效率为87.98％，整个混合维度特性预测过程耗时211.75s。

混合维度特性预测方法中对第一级静子进行CFD模拟时，网格点数为116457，若两级风扇整机CFD模拟中每一个叶片排的网格量级与混合维度特性预测方法中的保持一致，整机网格点数为459588，同一工况下，整机CFD模拟耗时1275.68s，结果为总压比2.417，效率87.14％。

对该两级风扇只使用流线曲率法进行S2流面通流分析，得到该两级风扇的预测特性结果为总压比2.533，效率88.11％。

实施例2：

本实施例一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，以某两级风扇为对象，将第二级转子作为选定叶片排，对其90％设计转速(9648r.p.m)下最高效率点工况(该工况下质量流量为73.65kg)进行特性预测。具体步骤如下：

步骤1:通过S2流面通流分析，获得该两级风扇的总压比和效率，以及内部叶片排之间的流场参数分布；

所述S2流面通流分析如下：

首先，采用设计问题的完全径向平衡方程来求解亚音速和跨音速流场的分析问题，须将气流角的分布变为环量的分布，环量rV_θ根据速度三角形可表示为：

rV_θ＝r(U+W_θ)＝r²ω+rV_mtanβ

式中，r为径向坐标，V_θ为气流绝对速度的圆周方向分速度，U为圆周速度，W_θ为气流相对速度的圆周方向分速度，ω为旋转角速度，V_m为气流子午面方向速度，β为相对气流角。

然后，可用分析问题已知气流角β的分布条件，通过前一次得到的V_m分布，计算得到设计问题所需要的环量分布，从而使用设计问题的方程求解流场。

所述通流分析分为两重循环，内层循环采用流线曲率法求解S2流面设计问题，得到跨音速流场气动参数分布；外层循环根据内层循环的结果代入落后角模型及损失模型，得到新的环量和效率分布后再代入内层循环重新计算。

所述内层循环包括以下步骤：

1)首先根据等面积原则假定流线的位置，然后沿叶片排前后缘在子午面的投影设置计算站，沿计算站按顺序进行计算；

2)把全部计算站计算完毕后，求出每一个计算站上的压强分布、流速分布和流量分布后，将各计算站的等流量点用光滑样条曲线相连，得到新的流线；

3)将新流线与参与计算的初始流线位置进行对比，如果差值在误差限范围之内则可认为收敛，内层循环结束；式中，/>为第n次迭代时的径向坐标，ε_r为误差标准。

若未收敛，根据2)中的流线重新计算各计算站上的气流参数，再求出新的流线来，直到计算出的流线与给定作为已知的流线位置基本上重合。

所述外层循环包括以下步骤：

1)先假定叶片排后缘计算站的压比π和效率η(转子)，环量rV_θ和总压恢复系数σ(静子)沿展向的分布，进入内层循环，采用设计问题形式的完全径向平衡方程和连续方程求解出S2面的流场分布；

2)引入落后角模型与损失模型，将得到的流场参数代入模型算出落后角δ和损失系数

3)根据2)中模型结果(落后角δ和损失系数)，计算出落后角对应的压比π和环量rV_θ、损失系数对应的效率η和总压恢复系数σ；

4)将3)中的计算结果与S2流面通流分析输入文件中的环量与效率对比，若满足收敛标准，则结束循环，否则根据新的环量与效率重新开始内层循环。

步骤2:提取通流分析结果中第二级转子前后缘沿径向分布的流场参数作为选定叶片排CFD数值模拟的边界条件，具体如下：

进口边界条件为沿径向分布的气流方向(由径向分速度与绝对速度之比V_r/|V|、周向分速度与绝对速度之比V_t/|V|和轴向分速度与绝对速度之比V_z/|V|给定)，总温T^*和总压P^*；

为与S2流面通流分析保持一致，出口边界条件质量流量设置为73.65kg。

步骤3:对第二级转子进行CFD数值模拟，待计算收敛后，提取前后缘沿径向分布的总温T_rotor ^*和总压P_rotor ^*；

步骤4:根据步骤3中得到的气动参数，为避免靠近轮毂和机匣处CFD结果中非物理因素的干扰，计算第二级转子后缘5％到95％相对展向位置的沿径向分布的压比π和效率η，更新通流分析输入文件中第二级转子后缘站预给定参数，然后对该两级风扇进行通流分析计算，计算中不使用损失和落后角模型更新第二级转子后缘站上的参数。

步骤5:将步骤1至步骤4作为混合维度方法的一次迭代，经过两次迭代且每次迭代中通流分析和CFD均收敛，迭代停止，根据第二次迭代中CFD结果最后再一次通流分析计算，得到该两级风扇的预测特性结果，总压比为2.458，效率为86.75％，整个混合维度特性预测过程耗时653.27s。

混合维度特性预测方法中对第二级转子进行CFD模拟时，网格点数为136863，若两级风扇整机CFD模拟中每一个叶片排的网格量级与混合维度特性预测方法中的保持一致，整机网格点数为459588，同一工况下，整机CFD模拟耗时1275.68s，结果为总压比2.417，效率87.14％。

对该两级风扇只使用流线曲率法进行S2流面通流分析，得到该两级风扇的预测特性结果为总压比2.533，效率88.11％。

使用混合维度方法进行特性预测，与多级轴流压气机整机CFD模拟相比，计算时间大幅减少，且预测精度也高于使用流线曲率法的S2流面通流分析，将其应用于多级轴流压气机优化问题时，可以大幅减少优化时间与优化成本。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，其特征在于具体步骤如下：

步骤1:通过S2流面通流分析，获得多级轴流压气机总压比和效率，以及内部叶片排之间的流场参数分布；

步骤2:提取通流分析结果中选定叶片排前后缘沿径向分布的流场参数作为选定叶片排CFD数值模拟的边界条件；

步骤3:对选定叶片排进行CFD数值模拟，待计算收敛后，提取三维CFD结果经周向平均后的叶片排前后缘气动参数；

步骤4:根据步骤3中得到的气动参数，计算出选定叶片排后缘沿径向分布的压比和效率，或者环量和总压恢复系数，更新通流分析输入文件中选定叶片排后缘站预给定参数，然后对多级压气机进行通流分析计算；

步骤5:将步骤1至步骤4作为混合维度方法的一次迭代，经过多次迭代且每次迭代中通流分析和CFD均收敛，迭代停止，根据最后一次迭代中CFD结果再进行一次通流分析计算，其结果作为多级轴流压气机的预测特性。

2.根据权利要求1所述一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，其特征在于：所述步骤1中S2流面通流分析包括两重循环，内层循环采用流线曲率法求解S2流面设计问题，得到跨音速流场气动参数分布；外层循环根据内层循环的结果代入落后角模型及损失模型，得到新的环量和效率分布后再代入内层循环重新计算。

3.根据权利要求2所述一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，其特征在于：所述内层循环包括以下步骤：

步骤1.1：首先根据等面积原则假定流线的位置，然后沿叶片排前后缘在子午面的投影设置计算站，沿计算站按顺序进行计算；

步骤1.2：把全部计算站计算完毕后，求出每一个计算站上的压强分布、流速分布和流量分布后，将各计算站的等流量点用光滑样条曲线相连，得到新的流线；

步骤1.3：将新流线与参与计算的初始流线位置进行对比，如果差值在误差限范围之内则认为收敛，内层循环结束；式中，/>为第n次迭代时的径向坐标，ε_r为误差标准；

步骤1.4：若未收敛，根据步骤1.2中的流线重新计算各计算站上的气流参数，再得到新的流线，直到计算出的流线与给定作为已知的流线位置基本上重合。

4.根据权利要求3所述一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，其特征在于：所述外层循环包括以下步骤：

步骤1.5：先假定叶片排后缘计算站的压比π和效率η，环量V_θr和总压恢复系数σ沿展向的分布，进入内层循环，采用设计问题形式的完全径向平衡方程和连续方程求解出S2面的流场分布；

步骤1.6：引入落后角模型与损失模型，将得到的流场参数代入模型算出落后角δ和损失系数

步骤1.7根据步骤1.6中模型结果，即落后角δ和损失系数计算出落后角对应的压比π和环量rV_θ、损失系数对应的效率η和总压恢复系数σ；

步骤1.8将步骤1.7中的计算结果与S2流面通流分析输入文件中的环量、效率对比，若满足收敛标准，则结束循环，否则根据新的环量与效率重新开始内层循环。

5.根据权利要求4所述一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，其特征在于：所述步骤2中选定叶片排CFD数值模拟的边界条件包括：

进口边界条件为沿径向分布的气流方向、总温T^*和总压P^*；

出口边界条件为质量流量m。

6.根据权利要求5所述一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，其特征在于：所述沿径向分布的气流方向由径向分速度与绝对速度之比V_r/|V|、周向分速度与绝对速度之比V_t/|V|和轴向分速度与绝对速度之比V_z/|V|给定。

7.根据权利要求6所述一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，其特征在于：所述步骤3中提取三维CFD结果经周向平均后的叶片排前后缘气动参数包括以下步骤：

当选定叶片排为转子时，提取前后缘沿径向分布的总温T_rotor ^*和总压P_rotor ^*；

当选定叶片排为静子时，提取前缘沿径向分布的总压P_stator ^*，后缘径向分布的总压P_stator ^*和气流的周向分速度V_t。

8.根据权利要求7所述一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，其特征在于：所述步骤4中，为避免靠近轮毂和机匣处CFD结果中非物理因素的干扰，计算5％到95％相对展向位置的选定叶片排后缘站预给定参数。

9.根据权利要求8所述一种基于CFD/S2混合维度的多级轴流压气机特性预测方法，其特征在于：所述步骤4中，计算中不使用损失和落后角模型更新选定叶片排后缘站上的参数。