一種直接分區(qū)的燃氣主流和盤腔二次流耦合計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及計算流體力學(xué)和湍流數(shù)值模擬領(lǐng)域，尤其是航空發(fā)動機或燃氣輪機中渦輪部件的燃氣主流和盤腔二次流耦合問題的數(shù)值計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002]航空發(fā)動機和燃氣輪機是一類重要的工業(yè)裝備，其核心機包括高壓壓氣機、燃燒室和高壓渦輪三大部件。如圖1所示，單級高壓渦輪由靜止的導(dǎo)葉3和旋轉(zhuǎn)的動葉4兩個葉片排構(gòu)成，燃燒室出口的高溫高壓燃氣經(jīng)導(dǎo)葉3導(dǎo)流后以合適的角度沖擊動葉4旋轉(zhuǎn)做功，構(gòu)成了燃氣的主流通道I。支承導(dǎo)葉3和動葉4的結(jié)構(gòu)分別被稱為靜子盤5和轉(zhuǎn)子盤6，二者之間的腔體被稱為轉(zhuǎn)靜盤腔2，由于轉(zhuǎn)子盤6同動葉4 一起旋轉(zhuǎn)，其泵效應(yīng)和輪緣間隙7內(nèi)外的壓差都可能使得主流通道I中的高溫燃氣進入轉(zhuǎn)靜盤腔2，侵入盤腔的燃氣會導(dǎo)致渦輪盤過熱，引起部件熱疲勞，減少轉(zhuǎn)子壽命。為了維持轉(zhuǎn)靜盤腔2的正常工作，一方面，在輪緣間隙7位置設(shè)計恰當?shù)姆鈬澜Y(jié)構(gòu)，減少間隙內(nèi)外的氣流交換；另一方面，來自壓氣機的低溫冷氣一部分被引入盤腔，對渦輪盤進行冷卻，而后經(jīng)輪緣間隙7進入主流，轉(zhuǎn)靜盤腔2內(nèi)部的流動被稱為盤腔二次流。
[0003]在過去相當長的時間里，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都將燃氣主流流動和盤腔二次流動當做兩個獨立的對象進行分析，隨著研宄的不斷深入，人們逐漸認識到:燃氣主流和盤腔二次流是一個復(fù)雜的耦合流動系統(tǒng)，二者之間存在著強烈的相互作用，要想進一步提高渦輪部件的性能和壽命，就必須將它們作為一個整體進行考慮。隨著計算機運算速度和存儲容量的不斷提高以及計算流體力學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用數(shù)值模擬方法對復(fù)雜流動問題進行模擬逐漸成為可能，數(shù)值計算也和實驗測試、理論分析并列成為研宄流體力學(xué)問題的三大技術(shù)途徑之一，用數(shù)值方法研宄燃氣主流和盤腔二次流耦合問題則成為一個自然而然的思路。
[0004]由于雷諾數(shù)較高，主流通道I和轉(zhuǎn)靜盤腔2內(nèi)部的流動都是湍流流動，如果選擇工程上應(yīng)用最為廣泛的定常雷諾平均方法對該耦合問題進行模擬，則涉及到湍流模型的選取:眾所周知，不同湍流模型的適用范圍并不相同，其選擇可能對計算結(jié)果的精度產(chǎn)生第一位的影響。已有的大量研宄表明，對于燃氣主流和盤腔二次流動，在其他參數(shù)不變的前提下，獲取最佳仿真結(jié)果所選用的湍流模型往往是不同的，這就帶來了一個問題，當我們對上述耦合流動進行模擬時，宄竟該依據(jù)什么標準選擇哪一個湍流模型呢？在目前階段，不同研宄者所做的選擇并不相同:例如《The Influence of HPT Forward Disc CavityPlatform Axial Overlap Geometry on Mainstream Ingest1n)) (ASME 葉輪機會議，2012年，論文編號GT2012-68429)中選取了一方程的Spalart-Allmaras模型(簡稱S-A模型)進行親合計算，而《Numerical Investigat1n of the Interact1n Between UpstreamPurge Flow and Mainstream in a Highly-Loaded Turbine)) (ASME 葉輪機會議，2014 年，論文編號GT2014-25501)中則選取了兩方程的剪切應(yīng)力輸運k_ ω模型(簡稱SST k-ω模型)。上述處理方案雖然都可以得到某一精度的計算結(jié)果，但由于所選取的湍流模型只適合耦合流場中的部分區(qū)域，因而無法獲取最佳的預(yù)測精度，如何改進計算方法，提高仿真結(jié)果的質(zhì)量，顯然是值得認真研宄的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種直接分區(qū)的燃氣主流和盤腔二次流耦合計算方法。利用該方法，可以在燃氣主流區(qū)和盤腔二次流區(qū)域分別使用不同的但卻最適合各自區(qū)域的湍流模型，以此提高耦合仿真結(jié)果的精度。
[0006]本發(fā)明的一種直接分區(qū)的燃氣主流和盤腔二次流耦合計算方法，如圖2所示，具體包括下列步驟:
[0007]步驟一:對某個禍輪部件，確定親合計算的計算域，包括主流通道I的進口、出口和摻混面位置，轉(zhuǎn)靜盤腔2的進口位置，以及主流通道I和轉(zhuǎn)靜盤腔2的耦合界面位置，耦合界面通常設(shè)置在輪緣間隙7處，且應(yīng)該保證摻混面和耦合界面不相交。
[0008]步驟二:選用網(wǎng)格生成軟件分別生成主流通道I和轉(zhuǎn)靜盤腔2的計算網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量應(yīng)滿足步驟三所述計算流體力學(xué)軟件及所選湍流模型的要求，沿耦合界面兩側(cè)的網(wǎng)格應(yīng)盡量保證匹配。
[0009]步驟三:選用計算流體力學(xué)軟件，分別完成燃氣主流流動和盤腔二次流動模擬的參數(shù)設(shè)置，包括湍流模型、數(shù)值格式、邊界條件、流場初始化等內(nèi)容。
[0010]步驟四:根據(jù)燃氣主流和盤腔二次流模擬所選用湍流模型的不同，沿耦合界面進行流場數(shù)據(jù)和湍流數(shù)據(jù)的交換，完成耦合界面邊界條件的更新。
[0011]步驟五:運行計算流體力學(xué)軟件，分別對燃氣主流流動和盤腔二次流動進行指定步數(shù)的定常模擬。
[0012]步驟六:判斷兩個區(qū)域的流場是否收斂，如果均滿足收斂條件，則進行步驟七，否則跳轉(zhuǎn)至步驟四執(zhí)行。
[0013]步驟七:親合計算結(jié)束，保存計算結(jié)果。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0015]相比使用單一湍流模型進行模擬的方法，本發(fā)明的直接分區(qū)耦合方法可以在燃氣主流和盤腔二次流區(qū)域使用不同但卻最適合該區(qū)域的湍流模型，提高了耦合仿真結(jié)果的精度，可改進現(xiàn)有航空發(fā)動機或燃氣輪機渦輪部件的工程設(shè)計流程，縮短設(shè)計周期。
【附圖說明】
[0016]圖1是尚壓禍輪部件的不意圖。
[0017]圖2是直接分區(qū)耦合計算方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0018]針對某具體的高壓渦輪部件，本發(fā)明技術(shù)方案在實現(xiàn)時包括如下步驟:
[0019]步驟1:采用商業(yè)軟件Fluent對燃氣主流和盤腔二次流分別進行模擬，評估不同湍流模型的預(yù)測精度，通過比較發(fā)現(xiàn)，對燃氣主流S-A模型具有最好的預(yù)測精度，對盤腔二次流SST k-ω模型的表現(xiàn)最優(yōu)，基于此，在分區(qū)耦合計算中，燃氣主流和盤腔二次流區(qū)域分別選擇S-A模型和SST k-ω模型。
[0020]步驟2:使用Python語言、結(jié)合商業(yè)軟件Fluent的用戶自定義函數(shù)(UDF)開發(fā)分區(qū)耦合仿真平臺，F(xiàn)luent的調(diào)用、耦合界面的數(shù)據(jù)交換、收斂的判斷等均通過耦合仿真平臺進行控制。
[0021]步驟3:對高壓渦輪部件，確定耦合計算的計算域，將耦合界面設(shè)置在輪緣間隙最小的位置，用商業(yè)軟件IGG/Autogrid生成計算網(wǎng)格，耦合界面兩側(cè)的網(wǎng)格保持匹配。
[0022]步驟4:在Fluent中完成燃氣主流和盤腔二次流模擬的參數(shù)設(shè)置。
[0023]具體為:
[0024](I)燃氣主流區(qū)的湍流模型為S-A模型，主流進口給定總溫、總壓和氣流角，主流出口給定背壓，耦合界面為速度進口，相關(guān)參數(shù)通過UDF進行設(shè)置。
[0025](2)盤腔二次流區(qū)域的湍流模型為SST k-ω模型，進口給定流量，耦合界面為壓力出口，相關(guān)參數(shù)通過UDF進行設(shè)置。
[0026]步驟5:沿耦合界面進行流場數(shù)據(jù)(速度分量、熱力學(xué)變量)和湍流數(shù)據(jù)(湍流粘性比、湍動能k、湍能比耗散率ω)的交換，通過UDF完成耦合界面邊界條件的更新。
[0027]步驟6:耦合仿真平臺調(diào)用Fluent，分別對燃氣主流和盤腔二次流區(qū)域進行指定步數(shù)的定常計算。
[0028]步驟7:耦合仿真平臺判斷兩個區(qū)域的流場是否收斂，如果均滿足收斂條件，則進行步驟8，否則跳轉(zhuǎn)至步驟5執(zhí)行。
[0029]步驟8:結(jié)束親合計算，保存結(jié)果。
[0030]顯然，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，參照上文所述還可能做出其它的實施方式。上文中的實施例只是示例性的、而不是局限性的。所有的在本發(fā)明的權(quán)利要求技術(shù)方案的本質(zhì)之內(nèi)的修改都屬于其所要求保護的范圍。
【主權(quán)項】
1.一種直接分區(qū)的燃氣主流和盤腔二次流耦合計算方法，其特征在于該方法包括下列步驟: 步驟一:對某個渦輪部件，確定耦合計算的計算域，包括主流通道的進口、出口和摻混面位置，轉(zhuǎn)靜盤腔的進口位置，以及主流通道和轉(zhuǎn)靜盤腔的耦合界面位置，耦合界面通常設(shè)置在輪緣間隙處，且應(yīng)該保證摻混面和耦合界面不相交。 步驟二:選用網(wǎng)格生成軟件分別生成主流通道和轉(zhuǎn)靜盤腔的計算網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量應(yīng)滿足步驟三所述計算流體力學(xué)軟件及所選湍流模型的要求，沿耦合界面兩側(cè)的網(wǎng)格應(yīng)盡量保證匹配。 步驟三:選用計算流體力學(xué)軟件，分別完成燃氣主流流動和盤腔二次流動模擬的參數(shù)設(shè)置，包括湍流模型、數(shù)值格式、邊界條件、流場初始化等內(nèi)容。 步驟四:根據(jù)燃氣主流和盤腔二次流模擬所選用湍流模型的不同，沿耦合界面進行流場數(shù)據(jù)和湍流數(shù)據(jù)的交換，完成耦合界面邊界條件的更新。 步驟五:運行計算流體力學(xué)軟件，分別對燃氣主流流動和盤腔二次流動進行指定步數(shù)的定常模擬。 步驟六:判斷兩個區(qū)域的流場是否收斂，如果均滿足收斂條件，則進行步驟七，否則跳轉(zhuǎn)至步驟四執(zhí)行。 步驟七:耦合計算結(jié)束，保存計算結(jié)果。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接分區(qū)的燃氣主流和盤腔二次流耦合計算方法，其特征在于，步驟一中，分區(qū)耦合界面設(shè)定在輪緣間隙最小的位置。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接分區(qū)的燃氣主流和盤腔二次流耦合計算方法，其特征在于，步驟三中，燃氣主流區(qū)選用S-A模型，盤腔二次流區(qū)選用SST k-ω模型。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接分區(qū)的燃氣主流和盤腔二次流耦合計算方法，其特征在于，步驟四中，耦合界面進行流場數(shù)據(jù)和湍流數(shù)據(jù)的交換。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種直接分區(qū)的燃氣主流和盤腔二次流耦合計算方法，其特征在于，分區(qū)親合仿真平臺使用Python語言、結(jié)合商業(yè)軟件Fluent的用戶自定義函數(shù)(UDF)實現(xiàn)。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種直接分區(qū)的耦合計算方法，該方法將航空發(fā)動機或燃氣輪機中渦輪部件內(nèi)部復(fù)雜流動的模擬直接分為燃氣主流區(qū)和盤腔二次流區(qū)分別進行，兩個區(qū)域使用不同但卻最適合各自區(qū)域的湍流模型，通過分區(qū)耦合界面進行數(shù)據(jù)交換。相比使用單一湍流模型的方法，本發(fā)明提高了耦合仿真結(jié)果精度，可改進現(xiàn)有渦輪部件的工程設(shè)計流程，縮短設(shè)計周期。
【IPC分類】G06F17/50
【公開號】CN104881543
【申請?zhí)枴緾N201510279650
【發(fā)明人】葉建, 于霄, 陸海鷹
【申請人】重慶大學(xué), 中國航空工業(yè)集團公司沈陽發(fā)動機設(shè)計研究所
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月28日