CN117521563B - 基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法 - Google Patents

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CN117521563B CN202410023041.6A CN202410023041A CN117521563B CN 117521563 B CN117521563 B CN 117521563B CN 202410023041 A CN202410023041 A CN 202410023041A CN 117521563 B CN117521563 B CN 117521563B
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Abstract

本申请公开了一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法,识别出叶轮机械的不同部位,充分考虑叶轮机械的壁面几何特征,将壁面距离计算分解为与轮毂壁面、机匣壁面、叶片壁面的距离计算,分别计算空间网格中的节点距叶轮机械不同部位的距离,即第一距离至第三距离。此后,从第一距离至第三距离中确定出取值最小的作为该节点的壁面距离。本说明书中的方法无需在确定某一节点的壁面距离的过程中遍历叶轮机械上的每一个点,可以得到精确的壁面距离,且降低壁面距离计算中的内存需求,提高计算效率。

Description

基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法
技术领域
本申请属于数据处理研究领域,特别涉及一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法。
背景技术
叶轮机械被广泛应用于能源动力行业,如航空发动机、燃气轮机等。对叶轮机械的流场进行分析,可用于评估叶轮机械工作特性、改进叶轮机械设计。相比叶轮机械气动试验而言,基于CFD的叶轮机械流场三维模拟,由于其较低的成本和较快的速度,已被大量的应用于叶轮机械流场分析。
现有的基于CFD的数据处理,多需要以空间网格中的节点到壁面的壁面距离为基础,如何确定节点的壁面距离,成为亟待解决的问题。
发明内容
为了解决所述现有技术的不足,本申请提供了一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法,识别出叶轮机械的不同部位,充分考虑叶轮机械的壁面几何特征,将壁面距离计算分解为与轮毂壁面、机匣壁面、叶片壁面的距离计算,分别计算空间网格中的节点距叶轮机械不同部位的距离,即第一距离至第三距离。此后,从第一距离至第三距离中确定出取值最小的作为该节点的壁面距离。本说明书中的方法无需在确定某一节点的壁面距离的过程中遍历叶轮机械上的每一个点,可以得到精确的壁面距离,且降低壁面距离计算中的内存需求,提高计算效率。
本申请所要达到的技术效果通过以下方案实现:
第一方面,本说明书提供一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法,所述方法包括:
获取叶轮机械的模型,其中,所述模型包括轮毂、机匣、以及叶片,所述轮毂和机匣的至少部分结构均呈中空桶装,所述机匣的至少部分沿所述轮毂的周向套设于所述轮毂的外侧,所述叶片的至少部分插设于所述轮毂与所述机匣之间,所述轮毂和所述机匣上均设置有用于插设所述叶片的切割孔,所述叶片为多个;
识别出所述模型中的轮毂壁面、机匣壁面、以及叶片壁面;
确定所述模型的空间网格;其中,所述空间网格的分布区域是所述叶轮机械的进口面和出口面包络的封闭空间,所述空间网格包含若干个节点;
针对所述空间网格中的每一个节点,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离、确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离、以及确定所述节点距所述叶片壁面的第三距离;
将所述第一距离、第二距离、第三距离中取值最小的,作为所述节点的壁面距离;
基于所述若干个节点各自的壁面距离,对所述叶轮机械的气动数据进行处理。
在本说明书一个可选的实施例中,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离,包括:
对所述轮毂壁面进行填补处理,以将所述轮毂上的切割孔填补为所述轮毂上的平滑表面,得到轮毂目标壁面;
将所述节点距所述轮毂目标壁面的距离,作为第一距离。
在本说明书一个可选的实施例中,确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离,包括:
对所述机匣壁面进行填补处理,以将所述机匣上的切割孔填补为所述机匣上的平滑表面,得到机匣目标壁面;
将所述节点距所述机匣目标壁面的距离,作为第二距离。
在本说明书一个可选的实施例中,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离,包括:
确定所述轮毂上沿所述轮毂的径向与所述节点在所述轮毂上的投影重合的母线,作为第一目标母线;
将所述节点与所述第一目标母线之间的距离,作为第一距离。
在本说明书一个可选的实施例中,确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离,包括:
确定所述机匣上沿所述机匣的径向与所述节点在所述机匣上的投影重合的母线,作为第二目标母线;
将所述节点与所述第二目标母线之间的距离,作为第二距离。
在本说明书一个可选的实施例中,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离,包括:
将所述节点在笛卡尔坐标系下的坐标,转换为柱坐标系下的坐标,其中,所述柱坐标系是以所述叶轮机械的轴向作为x轴的;
在所述柱坐标系下,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离。
在本说明书一个可选的实施例中,确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离,包括:
将所述节点在笛卡尔坐标系下的坐标,转换为柱坐标系下的坐标,其中,所述柱坐标系是以所述叶轮机械的轴向作为x轴的;
在所述柱坐标系下,确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离。
在本说明书一个可选的实施例中,确定所述节点距所述叶片壁面的第三距离,包括:
针对所述叶片壁面上的点基于笛卡尔坐标范围,将所述叶片壁面点分类到若干个盒子中;
从所述若干个盒子中,确定出距所述节点最近的指定数量个盒子,作为目标盒子;
分别确定出所述目标盒子中的叶片壁面的点距所述节点的距离,作为待定距离;
将取值最小的待定距离,作为第三距离。
在本说明书一个可选的实施例中,所述指定数量与所述空间网格中节点的数量正相关。
在本说明书一个可选的实施例中,所述指定数量与所述空间网格中节点构成的网格的边的数量负相关。
在本说明书一个可选的实施例中,所述叶轮机械应用于飞行器。
第二方面,本说明书提供一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理装置,用于实现第一方面中的方法。
第三方面,本说明书提供一种电子设备,包括:
处理器;以及
被安排成存储计算机可执行指令的存储器,所述可执行指令在被执行时使所述处理器执行第一方面中的方法。
第四方面,本说明书提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质存储一个或多个程序,所述一个或多个程序当被包括多个应用程序的电子设备执行时,使得所述电子设备执行第一方面中的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有的技术方案,下面将对实施例或现有技术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申请中记载的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动性的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一实施例中一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法的流程图;
图2为本申请一实施例中的机匣与叶片装配后的部分结构示意图;
图3为本申请一实施例中的机匣的部分结构示意图;
图4a为本申请一实施例中的轮毂的部分结构示意图;
图4b为本申请一实施例中的轮毂与叶片装配后的部分结构示意图;
图5为本申请一实施例中的部分空间网格示意图;
图6为本申请一实施例中的进口面和出口面示意图;
图7为本申请一实施例中计算空间网格的节点到轮毂壁面的距离示意图;
图8为本申请一实施例中的机匣母线和轮毂母线在柱坐标下的坐标示意图;
图9为本申请实施例中一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理装置的结构示意图;
图10为本申请一实施例中一个实施例电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合具体实施例及相应的附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中,很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而,本领域技术人员可以毫不费力的认识到,其中部分特征在不同情况下是可以省略的,或者可以由其它元件、材料、方法所替代。在某些情况下,本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述,这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没,而对于本领域技术人员而言,详细描述这些相关操作并不是必要的,他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外,说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时,方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此,说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例,并不意味着是必须的顺序,除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身,例如“第一”、“第二”等,仅用于区分所描述的对象,不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”,如无特别说明,均包括直接和间接连接(联接)。
计算流体动力学(CFD ,Computational Fluid Dynamics)是近代流体力学,数值数学和计算机科学结合的产物,是一门具有强大生命力的交叉科学。它是将流体力学的控制方程中积分、微分项近似地表示为离散的代数形式,使其成为代数方程组,然后通过计算机求解这些离散的代数方程组,获得离散的时间/空间点上的数值解。CFD兴起于20世纪60年代,随着90年代后计算机的迅猛发展,CFD得到了飞速发展,逐渐与实验流体力学一起成为产品开发中的重要手段。
叶轮机械是一种以连续旋转叶片为本体,使能量在流体工质与轴动力之间相互转换的动力机械。按照流体运动方向可以分为轴流式,径流式,混流式,组合式等。一般说来轴流式效率高,流量大,但是压比(膨胀比低);径流式效率、流量略低,但是压比(膨胀比大)。按照功能可以分为原动机械,例如汽轮机、燃气透平等(输出功);工作机械,如水泵、风机、压气机,螺旋桨等(耗功)。常见的工质有空气、水、氢气、氨、二氧化碳等,不同工质的叶轮机特点也不同。
叶轮机械隶属于动力工程及工程热物理学科下的动力机械,流体机械两个二级学科。用途广泛,包括军用飞行器以及舰船发动机中的压气机,透平,旋翼等;航海螺旋桨推进器;发电系统中的水泵、风机、汽轮机、风力机、水轮机;制冷行业使用的透平是压缩机和膨胀机;化工行业中的压缩机,风机等,叶轮机械在这些行业往往是最关键、最重要的部件之一。
本说明书中的叶轮机械可以是应用于飞行器的叶轮机械。
飞行器(flight vehicle)是在大气层内或大气层外空间(太空)飞行的器械。飞行器分为3类:航空器、航天器、火箭和导弹。在大气层内飞行的称为航空器,如气球、飞艇、飞机等。它们靠空气的静浮力或空气相对运动产生的空气动力升空飞行。在太空飞行的称为航天器,如人造地球卫星、载人飞船、空间探测器、航天飞机等。它们在运载火箭的推动下获得必要的速度进入太空,然后依靠惯性做与天体类似的轨道运动。计算流体动力学方法现已成为飞行器气动研究的主流手段之一。
针对叶轮机械的研究,相比叶轮机械气动试验而言,基于CFD的叶轮机械流场三维模拟,由于其较低的成本和较快的速度,已被大量的应用于叶轮机械流场分析。
流场的流动状态分为层流、湍流两类,自然界中的真实流动基本上都是湍流问题。目前,基于CFD模拟湍流时,一般基于湍流模型进行仿真。常用的湍流模型包括SA模型、SST模型等,都需要计算壁面距离,即空间点到壁面的最近距离。可见,如何确定节点的壁面距离,成为亟待解决的问题。
有鉴于此,本申请提出一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法。下面结合附图,详细说明本申请的各种非限制性实施方式。本说明书中的一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法,如图1所示,包括以下步骤:
S100:获取叶轮机械的模型。
本说明书中的模型可以是叶轮机械的数模文件,本说明书对数模文件的具体格式不做限制,示例性地,数模文件可以是CAD文件。本步骤中的获取的方式可以根据实际的需求确定。例如,可以通过文件导入的方式获取到模型,也可以通过建模的方式获取到模型。
本说明书中的模型能够表征叶轮机械的结构特征,该结构特征包括轮毂、机匣、以及叶片,可选地,叶片包含转子叶片和静子叶片。示例性地,叶轮机械的至少部分结构如图2所示。
叶轮机械中的轮毂和机匣的至少部分结构均呈中空桶装。机匣的至少部分沿所述轮毂的周向套设于所述轮毂的外侧,使得机匣的轴向与轮毂的轴向平行。所述叶片的至少部分插设于所述轮毂与所述机匣之间,所述轮毂和所述机匣上均设置有用于插设所述叶片的切割孔,所述叶片为多个。在本说明书一个可选的实施例中,叶片在机匣和轮毂之间沿机匣的周向均匀排布。
示例性地,机匣与叶片的装配示意图如图2和图3所示。轮毂与叶片的装配示意图如图4a和图4b所示。
S102:识别出所述模型中的轮毂壁面、机匣壁面、以及叶片壁面。
由于本说明书中的模型为三维模型,则构成模型的各个部件(例如轮毂等)均为三维结构的部件。部件的表面即为部件的避免。例如,轮毂的表面即为轮毂的壁面。
S104:确定所述模型的空间网格。
本说明书中的空间网格(部分空间网格如图5所示)的分布区域是所述叶轮机械的进口面和出口面包络的封闭空间(如图6所示)。也就是说,在叶轮机械工作过程中,有气体流经空间网格的分布区域。在该分布区域中的气体,即为本说明书中涉及的数据处理过程针对的对象之一。
本说明书中的空间网格包含若干个呈三维分布的节点,也就是说,本说明书中的节点在空间网格中的位置可以通过三维坐标表征。该三维坐标可以是基于笛卡尔坐标系的坐标,笛卡尔坐标系的x轴可以与轮毂的轴向重合。
S106:针对所述空间网格中的每一个节点,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离、确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离、以及确定所述节点距所述叶片壁面的第三距离。
第一距离是该节点距轮毂壁面的最小距离,第二距离是该节点距机匣壁面的最小距离,第三距离是该节点距叶片壁面的最小距离。
由于空间网格中节点不唯一,则需要针对每个节点,确定其壁面距离。壁面距离是指该节点距叶轮机械的壁面的最小距离。由于叶轮机械的壁面也可以以点的集合的形式表征,则表征叶轮机械的壁面的点也不唯一,若针对空间网格中的每个节点,遍历式的确定其与叶轮机械的壁面的点之间的距离,再从中确定出取值最小的距离,将会带来极大的数据处理量。
以直接搜索法为例,通过计算节点与每一个壁面的点的距离,并取最小值来实现。设节点的个数为m,壁面的点的个数为n,这类方法的时间复杂度为O(m*n)。对于并行模拟,该方法需要在每个进程存储全局的壁面点信息,其数据处理量可见一斑。
对于叶轮机械CFD模拟而言,在狭窄的空间里叶片林立,加上轮毂、机匣等壁面,导致其壁面点占全局网格点的比例远高于一般的外流计算网格,对壁面距离计算过程中内存要求较高。
本说明书中的方法则不采用前述的“遍历式”的计算方法,而是将叶轮机械的各个部件区分出来,只需针对各个部件分别计算距离即可,针对距离的计算次数明显减少,有利于提高数据处理效率。
S108:将所述第一距离、第二距离、第三距离中取值最小的,作为所述节点的壁面距离。
S110:基于所述若干个节点各自的壁面距离,对所述叶轮机械的气动数据进行处理。
在涉及壁面距离的数据处理场景中,通过本说明书中方法确定出的壁面距离均适用。
在计算节点距叶轮机械的部件的距离时,也需要通过计算机提供的算力进行计算。若部件上有孔洞(例如切割孔)这样的结构,则会增加计算机的计算负担。此时,面临的技术问题是:既能实现对应于孔洞位置的距离计算,又要保证计算结果的准确性。
由此,在计算壁面距离时,首先对指定部件(轮毂和/或机匣)的壁面进行填补处理,以将指定部件上的切割孔填补为指定部件上的平滑表面,也就是说,将切割孔填满,得到目标壁面(在指定部件是轮毂时,目标壁面是轮毂目标壁面;在指定部件是机匣时,目标壁面是机匣目标壁面)。之后,确定节点距目标壁面的距离,作为目标距离(在指定部件是轮毂时,目标距离是第一距离;在指定部件是机匣时,目标距离是第二距离)。
由此,解决了对应于孔洞位置的距离计算的问题。现就此种“填补”的处理方法对计算结果的准确性的影响进行分析。
示例性地,如图7所示,对于某一空间网格的节点P(空间网格中的任意一点),假设离其最近的指定部件上的壁面点A,落在了指定部件的切割孔上。那么,线段PA必然会与叶片壁面相交,交点为B,且有PB<PA。这与P的最近壁面点在切割孔上的假设矛盾。
因此,计算空间网格点P到填补处理后的目标壁面的距离后,如果出现最近壁面点落在了切割孔的位置。在叶片壁面上,必然至少有一个壁面点,P与其的距离小于P与目标壁面的距离。也就是说,此种“填补”的处理方法不会对计算结果的准确性构成负面影响,采用本说明书中的方法得到的第一距离和第二距离具有较高的准确性。
本说明书中的数据处理过程基于叶轮机械的模型,该模型是三维的,针对三维数据的计算量通常要高于二维数据的计算量。为进一步降低本说明书中的过程实现数据处理的量,本说明书中的方法的可选的实施例,还可以将三维数据的计算,转换为二维数据的计算,示例性地如图8所示。
在该可选的实施例中,确定所述指定部件上沿所述指定部件的径向与所述节点在所述指定部件上的投影重合的母线,作为目标母线(在指定部件是轮毂时,目标母线是第一目标母线;在指定部件是机匣时,目标母线是第二目标母线)。将所述节点与所述目标母线之间的距离,作为目标距离(在指定部件是轮毂时,目标距离是第一距离;在指定部件是机匣时,目标距离是第二距离)。
节点和母线之间的相对位置关系涉及的计算是二维的计算,则该实施例能够实现将三维的计算转换为二维的计算。先就该实施例中关于计算维度的转换对计算结果准确性的影响进行分析。
曲面图形可看成动线运动时的轨迹,形成曲面的动线称为母线。比如圆锥的主视图是一个等腰三角形,这个三角形的腰就是圆锥母线。
示例性地,如图7所示,已知空间网格中的任意一个节点P,在转轴(轮毂和/或机匣的轴线)上的垂足是P1。线段PP1与转轴定义的平面,与轮毂壁面(此处说明以轮毂为例,针对机匣的分析过程与之类似,在此不做赘述)相交,可以得到两条相交线。取节点P那一侧的那条线,为第一目标母线(针对机匣的分析过程,对应的母线为第二目标母线)。
在转轴上任取一点A1,过A1且垂直于转轴的平面,与轮毂面相交,可得到一个圆F。过A1,作PP1的平行线,与圆F相交,可以得到两个交点。取P点一侧的相交点为A。下面将证明,P到A点的距离,小于P到圆F上除点A外其他任意点的距离。
在圆F上任取一点不同于点A的点B,下面证明PA<PB。过B作AA1的垂线,垂足为B1。因为BB1与AA1和转轴都垂直,所以BB1垂直于四边形PP1A1A所在的平面。过A作PP1的垂线,垂足为A2。过B1作PP1的垂线,垂足为B2。
根据勾股定理,可得到式(1)。需要注意的是,可能出现PP1≤AA1的情况,但这依然适用于 (PP1-AA1)2计算。
式(1)
可得到PB的表达式(2)。需要注意的是,B1可能在A1下方,但这依然适用于和/>计算。
式(2)
已知:
式(3)
将式(3)代入式(2),可以得到式(4):
式(4)
式(4)-式(1),得到式(5):
式(5)
需要注意的是,当B1在A1下方时,式(3)式变为式(6):
式(6)
将式(6)带入式(2),并减去式(1),可以得到式(7):
式(7)
式(7)与式(5)相同。由于B点为圆F上不同于A的其他点,很明显的,。通过式(5)和式(7)可知,此时/>
可知,对于空间网格上任意一节点P,其到轮毂壁面的最近距离点,必然落在P与转轴定义平面,与轮毂壁面相交得到的P点一侧的相交线上。
为在壁面距离计算过程中实现坐标统一,在本说明书一个可选的实施例中,将空间网格中的节点在笛卡尔坐标系下的坐标,转换为柱坐标系下的坐标,这里不需要计算周向角的值,因为其并不参与壁面距离的计算。可选地,柱坐标系是以所述叶轮机械的轴向作为x轴的。示例性地,空间网格上任意一节点P在笛卡尔坐标系下的坐标为(x,y,z),经坐标转换得到的柱坐标系下的坐标(x,r)如式(8)所示。
式(8)
在叶轮机械业内,轮毂壁面和机匣壁面的母线,一般用多段折线表示。然后在二维坐标系下,计算空间网格的节点到这些折线的最近距离,可以得到第一目标母线和第二目标母线的距离。
在本说明书一个可选的实施例中,计算第三距离的过程可以是:将叶片壁面上的点基于笛卡尔坐标范围将叶片壁面点分类到不同的盒子里。计算第三距离时,先找到距所述节点最近的几个盒子,再遍历这些盒子里的叶片壁面的点,从而计算出最短距离,作为第三距离。
本说明书中的方法充分考虑了叶轮机械的壁面几何特征,将壁面距离计算分解为与轮毂面、机匣面、叶片面的距离计算,并将空间点与轮毂面、机匣面的壁面距离计算由三维问题转化为二维问题。该方法可得到精确的壁面距离,且降低壁面距离计算中的内存需求,提高计算效率。
基于同样的思路,本说明书实施例还提供了对应于图1所示部分过程的一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理装置。
如图9所示,本说明书中的一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理装置,可以包括以下模块中的一个或多个:
模型获取模块900,配置为:获取叶轮机械的模型,其中,所述模型包括轮毂、机匣、以及叶片,所述轮毂和机匣的至少部分结构均呈中空桶装,所述机匣的至少部分沿所述轮毂的周向套设于所述轮毂的外侧,所述叶片的至少部分插设于所述轮毂与所述机匣之间,所述轮毂和所述机匣上均设置有用于插设所述叶片的切割孔,所述叶片为多个。
壁面识别模块902,配置为:识别出所述模型中的轮毂壁面、机匣壁面、以及叶片壁面。
空间网格确定模块904,配置为:确定所述模型的空间网格;其中,所述空间网格的分布区域是所述叶轮机械的进口面和出口面包络的封闭空间,所述空间网格包含若干个节点。
距离确定第一模块906,配置为:针对所述空间网格中的每一个节点,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离、确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离、以及确定所述节点距所述叶片壁面的第三距离。
距离确定第二模块908,配置为:将所述第一距离、第二距离、第三距离中取值最小的,作为所述节点的壁面距离。
数据处理模块910,配置为:基于所述若干个节点各自的壁面距离,对所述叶轮机械的气动数据进行处理。
在本说明书一个可选的实施例中,距离确定第一模块906具体配置为:对所述轮毂壁面进行填补处理,以将所述轮毂上的切割孔填补为所述轮毂上的平滑表面,得到轮毂目标壁面;将所述节点距所述轮毂目标壁面的距离,作为第一距离。
在本说明书一个可选的实施例中,距离确定第一模块906具体配置为:对所述机匣壁面进行填补处理,以将所述机匣上的切割孔填补为所述机匣上的平滑表面,得到机匣目标壁面;将所述节点距所述机匣目标壁面的距离,作为第二距离。
在本说明书一个可选的实施例中,距离确定第一模块906具体配置为:确定所述轮毂上沿所述轮毂的径向与所述节点在所述轮毂上的投影重合的母线,作为第一目标母线;将所述节点与所述第一目标母线之间的距离,作为第一距离。
在本说明书一个可选的实施例中,距离确定第一模块906具体配置为:确定所述机匣上沿所述机匣的径向与所述节点在所述机匣上的投影重合的母线,作为第二目标母线;将所述节点与所述第二目标母线之间的距离,作为第二距离。
在本说明书一个可选的实施例中,距离确定第一模块906具体配置为:将所述节点在笛卡尔坐标系下的坐标,转换为柱坐标系下的坐标,其中,所述柱坐标系是以所述叶轮机械的轴向作为x轴的;在所述柱坐标系下,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离。
在本说明书一个可选的实施例中,距离确定第一模块906具体配置为:将所述节点在笛卡尔坐标系下的坐标,转换为柱坐标系下的坐标,其中,所述柱坐标系是以所述叶轮机械的轴向作为x轴的;在所述柱坐标系下,确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离。
图10是本申请的一个实施例电子设备的结构示意图。请参考图10,在硬件层面,该电子设备包括处理器,可选地还包括内部总线、网络接口、存储器。其中,存储器可能包含内存,例如高速随机存取存储器(Random-Access Memory,RAM),也可能还包括非易失性存储器(non-volatilememory),例如至少1个磁盘存储器等。当然,该电子设备还可能包括其他业务所需要的硬件。
处理器、网络接口和存储器可以通过内部总线相互连接,该内部总线可以是ISA(Industry Standard Architecture,工业标准体系结构)总线、PCI(PeripheralComponentInterconnect,外设部件互连标准)总线或EISA(Extended Industry StandardArchitecture,扩展工业标准结构)总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示,图10中仅用一个双向箭头表示,但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
存储器,用于存放程序。具体地,程序可以包括程序代码,所述程序代码包括计算机操作指令。存储器可以包括内存和非易失性存储器,并向处理器提供指令和数据。
处理器从非易失性存储器中读取对应的计算机程序到内存中然后运行,在逻辑层面上形成一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法。处理器,执行存储器所存放的程序,并具体用于执行前述任意一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法。
上述如本申请图1所示实施例揭示的一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法可以应用于处理器(即,本说明书中的删除控制模块)中,或者由处理器实现。处理器可能是一种集成电路芯片,具有信号的处理能力。在实现过程中,上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器,包括中央处理器(Central Processing Unit,CPU)、网络处理器(NetworkProcessor,NP)等;还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成,或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器,闪存、只读存储器,可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器,处理器读取存储器中的信息,结合其硬件完成上述方法的步骤。
该电子设备还可执行图1中一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法,并实现图1所示实施例的功能,本申请实施例在此不再赘述。
本申请实施例还提出了一种计算机可读存储介质,该计算机可读存储介质存储一个或多个程序,该一个或多个程序包括指令,该指令当被包括多个应用程序的电子设备执行时,能够使该电子设备执行图1所示实施例中一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法执行的方法,并具体用于执行前述的任意一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
在一个典型的配置中,计算设备包括一个或多个处理器 (CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器,随机存取存储器 (RAM) 和/或非易失性内存等形式,如只读存储器 (ROM) 或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括,但不限于相变内存 (PRAM)、静态随机存取存储器 (SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器 (RAM)、只读存储器 (ROM)、电可删除可编程只读存储器 (EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘 (DVD) 或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质,可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定,计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media),如调制的数据信号和载波。
还需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其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过程、方法、商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,或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。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过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
以上所述仅为本申请的实施例而已,并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说,本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (3)

1.一种基于叶轮机械湍流壁面距离计算的气动数据处理方法,其特征在于,所述方法包括:
获取叶轮机械的模型,其中,所述模型包括轮毂、机匣、以及叶片,所述轮毂和机匣的至少部分结构均呈中空桶装,所述机匣的至少部分沿所述轮毂的周向套设于所述轮毂的外侧,所述叶片的至少部分插设于所述轮毂与所述机匣之间,所述轮毂和所述机匣上均设置有用于插设所述叶片的切割孔,所述叶片为多个;
识别出所述模型中的轮毂壁面、机匣壁面、以及叶片壁面;
确定所述模型的空间网格;其中,所述空间网格的分布区域是所述叶轮机械的进口面和出口面包络的封闭空间,所述空间网格包含若干个节点;
针对所述空间网格中的每一个节点,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离、确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离、以及确定所述节点距所述叶片壁面的第三距离;
将所述第一距离、第二距离、第三距离中取值最小的,作为所述节点的壁面距离;
基于所述若干个节点各自的壁面距离,对所述叶轮机械的气动数据进行处理;其中:
确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离,包括:
对所述轮毂壁面进行填补处理,以将所述轮毂上的切割孔填补为所述轮毂上的平滑表面,得到轮毂目标壁面;
将所述节点距所述轮毂目标壁面的距离,作为第一距离;
确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离,包括:
对所述机匣壁面进行填补处理,以将所述机匣上的切割孔填补为所述机匣上的平滑表面,得到机匣目标壁面;
将所述节点距所述机匣目标壁面的距离,作为第二距离;
确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离,包括:
确定所述轮毂上沿所述轮毂的径向与所述节点在所述轮毂上的投影重合的母线,作为第一目标母线;
将所述节点与所述第一目标母线之间的距离,作为第一距离;
确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离,包括:
确定所述机匣上沿所述机匣的径向与所述节点在所述机匣上的投影重合的母线,作为第二目标母线;
将所述节点与所述第二目标母线之间的距离,作为第二距离;
确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离,包括:
将所述节点在笛卡尔坐标系下的坐标,转换为柱坐标系下的坐标,其中,所述柱坐标系是以所述叶轮机械的轴向作为x轴的;
在所述柱坐标系下,确定所述节点距所述轮毂壁面的第一距离;
确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离,包括:
将所述节点在笛卡尔坐标系下的坐标,转换为柱坐标系下的坐标,其中,所述柱坐标系是以所述叶轮机械的轴向作为x轴的;
在所述柱坐标系下,确定所述节点距所述机匣壁面的第二距离;
确定所述节点距所述叶片壁面的第三距离,包括:
针对所述叶片壁面上的点基于笛卡尔坐标范围,将所述叶片壁面点分类到若干个盒子中;
从所述若干个盒子中,确定出距所述节点最近的指定数量个盒子,作为目标盒子;
分别确定出所述目标盒子中的叶片壁面的点距所述节点的距离,作为待定距离;
将取值最小的待定距离,作为第三距离。
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述指定数量与所述空间网格中节点的数量正相关。
3.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述叶轮机械应用于飞行器。
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109409016A (zh) * 2018-12-13 2019-03-01 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法
CN111089669A (zh) * 2020-01-20 2020-05-01 北京航空航天大学 一种用于精准测量涡轮级效率的装置及方法
CN112160943A (zh) * 2020-10-13 2021-01-01 中国人民解放军海军工程大学 一种燃气轮机压气机机匣防喘结构及其喘振裕度评价方法
CN114722745A (zh) * 2022-06-10 2022-07-08 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 湍流壁面距离计算方法、装置、计算机设备和存储介质
CN115374576A (zh) * 2022-10-25 2022-11-22 中国科学院工程热物理研究所 用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法
CN117077292A (zh) * 2023-09-27 2023-11-17 西安交通大学 一种全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法及系统
CN117329147A (zh) * 2022-06-24 2024-01-02 西北工业大学 一种叶轮机一体化结构及其设计方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109409016A (zh) * 2018-12-13 2019-03-01 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法
CN111089669A (zh) * 2020-01-20 2020-05-01 北京航空航天大学 一种用于精准测量涡轮级效率的装置及方法
CN112160943A (zh) * 2020-10-13 2021-01-01 中国人民解放军海军工程大学 一种燃气轮机压气机机匣防喘结构及其喘振裕度评价方法
CN114722745A (zh) * 2022-06-10 2022-07-08 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所 湍流壁面距离计算方法、装置、计算机设备和存储介质
CN117329147A (zh) * 2022-06-24 2024-01-02 西北工业大学 一种叶轮机一体化结构及其设计方法
CN115374576A (zh) * 2022-10-25 2022-11-22 中国科学院工程热物理研究所 用于压气机叶片与机匣处理一体化扩稳设计方法
CN117077292A (zh) * 2023-09-27 2023-11-17 西安交通大学 一种全遮挡涡轮后支板的内外流耦合结构设计方法及系统

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刮削作用对涡轮转子机匣通道涡形成的影响;魏佐君;乔渭阳;段文华;刘建;;航空动力学报;20180719(第07期);168-177 *
压气机中介机匣几何结构的试验验证;李斌;吴亚东;滕金芳;杜朝辉;;航空动力学报;20131019(第10期);173-178 *
斜沟槽机匣处理对轴流风机性能影响的数值研究;崔建光;叶学民;李春曦;;流体机械;20170130(第01期);37-44 *
组合机匣处理对跨音压气机流动特性的影响;刘家璇;杨福胜;邓建强;张早校;;西安交通大学学报;20201231(第04期);179-184 *
超声压气机静/转干涉的非定常模拟研究;郝颜;江雄;邱名;王子维;;空气动力学学报;20181015(第05期);51-58 *

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