氣膜冷卻扭葉片幾何生成技術(shù)

氣膜冷卻扭葉片幾何生成技術(shù)

齒輪熱負(fù)荷的計(jì)算為了提高燃料消耗比和油耗效率，現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)必須不斷提高發(fā)動(dòng)機(jī)的入口溫度?，F(xiàn)在，由于材料的高溫氣候限制，車輪的入口溫度明顯超過(guò)了當(dāng)前材料的極限。因此，除了繼續(xù)開(kāi)發(fā)高耐熱材料外，還應(yīng)使用復(fù)雜的冷卻技術(shù)來(lái)維持材料在高溫下的正常運(yùn)行和工作時(shí)間。例如，氣膜冷卻、影響冷卻、蒸發(fā)冷卻等一系列措施是使車輪葉片變熱的有效方法。由于新型耐熱合金材料的研制周期往往比較長(zhǎng),難以滿足目前航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪進(jìn)口溫度快速增長(zhǎng)的要求,因此采用先進(jìn)的冷卻方式保護(hù)熱端部件是當(dāng)前各國(guó)研究的重點(diǎn)。燃?xì)鉁u輪葉片溫度主要由葉片外表面高溫燃?xì)?、葉片內(nèi)部冷卻氣體以及葉片內(nèi)的熱傳導(dǎo)相互作用決定的,對(duì)渦輪葉片溫度場(chǎng)計(jì)算的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到能否準(zhǔn)確預(yù)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命,極大地影響著發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,氣熱耦合數(shù)值計(jì)算因?yàn)楦咝院洼^高的準(zhǔn)確性而得到越來(lái)越多的應(yīng)用,其中如何獲得高質(zhì)量的三維計(jì)算網(wǎng)格是保證準(zhǔn)確預(yù)測(cè)渦輪葉片熱負(fù)荷的基礎(chǔ)。第一級(jí)渦輪導(dǎo)向葉片直接受到燃燒室高溫、高壓燃?xì)獾臎_擊,受到的熱負(fù)荷最大,通常采用全氣膜冷卻,即采用多排密集孔冷氣噴射形成氣膜隔離葉片和主流燃?xì)庖詼p少對(duì)渦輪葉片的熱負(fù)荷。全氣膜冷卻葉片的冷卻結(jié)構(gòu)復(fù)雜,幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格生成過(guò)程往往要占到整個(gè)仿真工作時(shí)間的相當(dāng)大部分的比例。本研究主要目的是針對(duì)典型全氣膜冷卻葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),總結(jié)出從渦輪葉片CAD建模到計(jì)算域網(wǎng)格劃分的完整過(guò)程,試圖為全氣膜冷卻葉片氣熱耦合計(jì)算提供一套比較完整的網(wǎng)格生成方法。1全氣膜渦旋葉片三維形狀建立三維幾何模型是網(wǎng)格生成的前提,本文選用UGNX2.0作為幾何結(jié)構(gòu)的CAD生成軟件。1.1氣冷齒輪葉片氣熱耦合分析全氣膜冷卻葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜,葉片表面有多排數(shù)量較多、安裝方式各異的冷卻孔,葉片內(nèi)部通常包含多個(gè)冷卻腔室、內(nèi)壁肋板和尾緣槽縫等特殊冷卻結(jié)構(gòu),因此,幾何結(jié)構(gòu)的生成往往會(huì)遇到很大的困難。本研究所選取的葉型為某型渦輪葉片高壓導(dǎo)向扭葉片,由圖1所示,該設(shè)計(jì)有以下一些特點(diǎn):葉片表面共開(kāi)有11排冷卻噴孔,前緣三排冷卻孔與徑向方向成60°,壓力面前部為四排與壁面垂直的冷卻孔,同時(shí)中弦區(qū)壓力面有兩排復(fù)合角度氣膜冷卻孔,吸力面前部有兩排擴(kuò)張錐形氣膜冷卻孔,尾緣位置開(kāi)有冷卻槽縫;有兩個(gè)單獨(dú)的冷卻腔室,前部冷卻腔室從根部進(jìn)氣,冷卻氣體從前緣以及壓力面和吸力面噴出,后部冷卻腔室與尾緣槽縫相連,冷卻氣體從頂部進(jìn)氣,一部分經(jīng)壓力面一排噴孔噴出,另一部分從尾緣辟縫噴出,進(jìn)氣方式的不同是為了平衡進(jìn)氣沖擊力對(duì)葉片影響;兩個(gè)冷卻腔室之間采用與徑向夾角為3°的隔板,使兩個(gè)冷卻氣體進(jìn)氣腔形成一個(gè)喇叭形的入口,這樣做的目的是為了減少進(jìn)氣阻力和進(jìn)氣流動(dòng)損失。通常來(lái)說(shuō),氣冷渦輪葉片氣熱耦合計(jì)算三維CAD造型應(yīng)遵循由大到小,由外到內(nèi),由粗到精的原則。第一階段生成葉片外表面片體,然后以此為基礎(chǔ)按照上下端壁型線生成葉片外流道計(jì)算域;第二階段生成氣冷葉片內(nèi)腔表面片體,通過(guò)葉片內(nèi)外表面片體生成葉片固體計(jì)算區(qū)域以及內(nèi)腔流體計(jì)算區(qū)域;第三階段生成連接內(nèi)外流體腔室的冷卻孔結(jié)構(gòu),以及尾緣冷區(qū)氣體噴射槽縫。以下對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵步驟做簡(jiǎn)要說(shuō)明。1.2表面型線向內(nèi)偏移本研究所選葉型為環(huán)形葉柵扭葉片,因此所有葉片積疊型線均采用絕對(duì)坐標(biāo),以X軸正方向?yàn)槿~片旋轉(zhuǎn)軸。葉片幾何造型的實(shí)質(zhì)就是找到一種數(shù)學(xué)方法描述葉片曲面,本文選用沿葉高方向系列截面型線作為積疊線,采用UGNX所提供的非均勻有理B型樣條曲線(NURBS),使用UGNX的自由型面成型(FreeFormFeature)中通過(guò)曲線(ThroughCurve)功能將型線擬合成葉片外表面型線。將葉片外表面型線向內(nèi)偏移(OffsetCurve)葉片腔室厚度大小生成內(nèi)冷卻腔表面型線,然后再參照外表面片體生成過(guò)程生成內(nèi)腔片體,這是初研究的一個(gè)難點(diǎn),首先偏移功能需要曲線在同一個(gè)平面內(nèi),這對(duì)于環(huán)形葉柵和彎扭葉片的葉片型線處理比較麻煩;第二對(duì)于尾緣處葉片型線向內(nèi)偏移容易使型線扭曲成“8”字型和尖角。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于第一個(gè)問(wèn)題,上下端壁適當(dāng)偏移(OffsetFace)延長(zhǎng),再使用若干與徑向垂直的平面與葉片外表面相交截得若干新葉片表面型線,這些新型線都位于不同的垂直徑向的平面內(nèi),便于偏移形成內(nèi)腔型線,而且超出葉片流道上下端壁的部分可以提供型線使得新生成的內(nèi)腔表面片體大于葉片實(shí)際內(nèi)表面,便于通過(guò)布爾運(yùn)算切割生成內(nèi)部腔室;對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題,可在使用葉片外部型線生成葉片實(shí)體以后,先將葉片按照預(yù)先設(shè)計(jì)分割成不同的腔室,然后根據(jù)不同情況分別處理,如本研究所選葉型沿弦向按腔室分成三部分:前腔,后腔和尾緣槽縫,這樣對(duì)于前兩個(gè)腔室的生成按前面所述處理,尾緣部分的槽縫開(kāi)在壓力面?zhèn)?所以只需分別對(duì)壓力面和吸力面型線做偏移并生成片體,然后通過(guò)相對(duì)簡(jiǎn)單的切割和布爾運(yùn)算就可以完成,如果確實(shí)需要對(duì)葉片型線進(jìn)行整體偏移生成內(nèi)腔型線,可以采用偏移功能(OffsetCurve)下面的Lawcontrol功能對(duì)于型線各點(diǎn)的偏移量做出適當(dāng)調(diào)整,尤其在尾部減少偏移量,避免內(nèi)腔型線扭曲和形成尖角結(jié)構(gòu)。1.3復(fù)合角度傾斜冷卻孔本研究所選葉片共采用三種冷卻孔的形式,即徑向傾斜圓孔、弦向傾斜錐形擴(kuò)散孔和復(fù)合角度傾斜圓孔,這幾類冷卻孔布置方式都是工程實(shí)際應(yīng)用廣泛,非常有代表性的冷卻結(jié)構(gòu)。徑向傾斜氣膜冷卻孔的作用是增加冷氣射流的徑向速度分量,促進(jìn)冷卻射流對(duì)孔間區(qū)域的有效覆蓋;弦向傾斜冷卻孔和復(fù)合角度傾斜冷卻孔都是為了減弱冷卻射流與燃?xì)庵髁髦g的摻混,促進(jìn)射流向葉片壁面貼附,提高射流對(duì)下游的冷卻效率,尤其是擴(kuò)張型錐形孔由于出口截面面積增大,可以使冷卻射流出口界面吹風(fēng)比和動(dòng)量比減小,冷卻射流對(duì)下游橫向覆蓋和冷卻效率都有較大提高,另外復(fù)合角度傾斜冷卻孔能夠有效的促使冷卻射流在葉片表面橫向展開(kāi),從而提高冷卻射流的有效覆蓋。根據(jù)研究的經(jīng)驗(yàn),氣膜冷卻孔的生成主要依靠于臨時(shí)工作坐標(biāo)的選取,首先要確定各排冷卻孔在葉片表面的分布位置,即冷卻孔中心線與葉片外表面相交點(diǎn)的位置,將同一排中心線交點(diǎn)連接成從根部到頂部的連線,并在該交點(diǎn)處使用UGNX的基準(zhǔn)線(DatumLine)功能生成垂直于當(dāng)?shù)乇诿娴幕鶞?zhǔn)線,以此連線、交點(diǎn)和基準(zhǔn)線為基礎(chǔ)使用坐標(biāo)系控制器(CSYSConstructor)生成相應(yīng)的臨時(shí)坐標(biāo),然后按坐標(biāo)軸生成氣膜冷卻孔圓柱,最后根據(jù)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到工作角度。2其他結(jié)構(gòu)的組合全氣膜冷卻葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是在葉片表面上開(kāi)有多排冷氣噴射孔,而且孔的結(jié)構(gòu)和排列方式相差很大。另外,內(nèi)/外冷卻腔和尾緣辟縫等結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜,這些都給網(wǎng)格劃分工作帶來(lái)的很大的困難?？紤]到計(jì)算效率以及全氣膜冷卻葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用ANSYSICEM作為計(jì)算域的網(wǎng)格劃分軟件,網(wǎng)格形式采用分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(Multi-BlockStructuredMesh)。2.1采用分塊結(jié)構(gòu)化方法分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,又稱為組合網(wǎng)格,是求解不規(guī)則區(qū)域中的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的一種重要網(wǎng)格劃分方法,從數(shù)值方法的角度,又稱區(qū)域分解法。分塊結(jié)構(gòu)化的原理是把整個(gè)不規(guī)則求解區(qū)域劃分為若干個(gè)小的規(guī)則六面體區(qū)域(塊),然后對(duì)每一塊都用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來(lái)離散,并且每一塊中都可以采用適體坐標(biāo)方法(Body-fittedcoordinates)生成網(wǎng)格。采用分塊結(jié)構(gòu)化方法的優(yōu)點(diǎn)是:(1)可以大大減輕網(wǎng)格生成的難度,因?yàn)樵诿恳粔K中都可以方便地生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格;(2)可以在不同塊內(nèi)采用不同的網(wǎng)格疏密度,從而可有效地照顧到不同區(qū)域需要不同空間尺度的情形,塊與塊之間不要求網(wǎng)格線完全貫穿,便于網(wǎng)格的局部加密;(3)便于采用并行算法來(lái)求解代數(shù)方程組。本研究采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的主要原因是考慮到全氣膜冷卻葉片特殊的幾何結(jié)構(gòu),另一個(gè)主要原因就是考慮到計(jì)算效率問(wèn)題。雖然使用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格生成復(fù)雜外型幾何體的網(wǎng)格非常容易,使用也很方便,但是在保持相同節(jié)點(diǎn)(Node)數(shù)量情況下,采用四面體網(wǎng)格生成的網(wǎng)格(Element)數(shù)量大約是使用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的五倍,相應(yīng)計(jì)算所需內(nèi)存和計(jì)算時(shí)間都比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格大很多;另外,非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格不適應(yīng)某些流場(chǎng)求解,如對(duì)葉片表面?zhèn)鳠嵊绊懛浅４蟮倪吔鐚觾?nèi)的流動(dòng)和轉(zhuǎn)捩流場(chǎng);相比非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格生成的速度快,生成的質(zhì)量好,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的誤差很小、容易收斂等諸多的優(yōu)點(diǎn),而且對(duì)計(jì)算機(jī)資源的消耗也相對(duì)較低。2.2面體網(wǎng)格的幾何相關(guān)線設(shè)置和網(wǎng)格劃分對(duì)全氣膜冷卻葉片進(jìn)行網(wǎng)格劃分的目的是在ANSYSCFX平臺(tái)上進(jìn)行氣熱耦合計(jì)算,需要將流固區(qū)域分開(kāi)處理,所以根據(jù)計(jì)算條件將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分成五部分:外流道、固體葉片、氣膜冷卻孔、內(nèi)腔流道和尾緣辟縫,其中為了做網(wǎng)格方便,將氣膜冷卻孔與內(nèi)腔流道結(jié)合在一起劃分網(wǎng)格,并在外流道葉片壁面上冷卻孔相應(yīng)位置同樣按幾何相關(guān)線劃分網(wǎng)格,在計(jì)算的時(shí)兩部分按數(shù)據(jù)交換面(Interface)處理。復(fù)雜的三維實(shí)體能否劃分出高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格,關(guān)鍵在于如何合理地將模型分解成若干個(gè)與六面體同胚的圖形。下面對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵部分的分塊拓?fù)浞治龊途W(wǎng)格生成進(jìn)行簡(jiǎn)要敘述。2.2.1葉片表面流道網(wǎng)格劃分如圖2所示,所研究葉片外流道計(jì)算區(qū)域采用周期性計(jì)算區(qū)域,葉片的位置位于外流道的中部。整個(gè)外流道和內(nèi)部葉片可以看作兩個(gè)互相嵌套的曲面六面體,它們共用上下端壁,所以只須在流道內(nèi)沿垂直于葉片表面方向上劃分系列分界面,并將整個(gè)區(qū)域劃分成若干六面體,如圖2(a)所示;另外,為了保證葉片附面層內(nèi)流動(dòng)的計(jì)算精度,在葉片外表面采用O型網(wǎng)格分塊結(jié)構(gòu)。圖2(b)為分塊化結(jié)構(gòu)網(wǎng)格實(shí)際生成示意圖,但是由于葉片表面的冷卻孔數(shù)量較多并且為間隔排列,如圖2(c)所示,徑向網(wǎng)格數(shù)量很大,繼而導(dǎo)致整個(gè)流道的網(wǎng)格數(shù)量激增,這對(duì)于計(jì)算資源緊張的時(shí)候是有困難的,所以也可以采取折中的方法,即是在考慮到冷卻氣膜一般只在附面層內(nèi)流動(dòng)的特點(diǎn),可以把附面層網(wǎng)格與流道網(wǎng)格分開(kāi)處理,它們之間交界面按數(shù)據(jù)傳遞處理,以通過(guò)減少流道內(nèi)網(wǎng)格的數(shù)量來(lái)減少整個(gè)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)量。下面將對(duì)葉片表面冷卻孔附近分塊拓?fù)鋭澐诌M(jìn)行分析。2.2.2氣膜冷卻葉片網(wǎng)格劃分氣膜冷卻葉片包含兩個(gè)內(nèi)腔流道、一個(gè)尾緣槽縫和大量氣膜冷卻孔。如前所述,整個(gè)葉片和內(nèi)腔都可以看做一個(gè)曲面六面體,拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,難點(diǎn)在于葉片表面上的若干冷卻孔結(jié)構(gòu),如圖3(a)～(d)所示,本研究的做法是將冷卻孔也轉(zhuǎn)換成六面體,具體方法是將葉片分別沿徑向和流向按冷卻孔的位置截成相應(yīng)的若干分塊,分塊的高度和寬度也與冷卻孔直徑大致相同,并將六面體內(nèi)外八個(gè)節(jié)點(diǎn)(圖3中黑色節(jié)點(diǎn))按孔的實(shí)際形狀和安裝角度與冷卻孔進(jìn)出口邊對(duì)應(yīng),這個(gè)六面體內(nèi)按空腔處理,不劃分網(wǎng)格。圖4為氣膜冷卻葉片實(shí)際分塊劃分和實(shí)際生成網(wǎng)格,因?yàn)榍皟蓚€(gè)腔室都含有冷卻孔,如圖4(g)和(f)所示,合并在一起處理,尾緣槽縫部分沒(méi)有冷卻孔,如圖3(c)所示,單獨(dú)處理更為簡(jiǎn)單。值得注意的本文所選的氣膜冷卻孔都有一定的安裝角度,如圖4(a)～(d)所示,尤其是對(duì)于復(fù)合角度冷卻孔,不可避免的是冷卻孔附近的網(wǎng)格變形扭曲較大,網(wǎng)格質(zhì)量較差,這種影響是分塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格處理這類結(jié)構(gòu)的一個(gè)不可避免的缺點(diǎn)。全氣膜冷卻葉片包含兩個(gè)內(nèi)腔,按照前面的敘述,把氣膜冷卻孔內(nèi)流道與內(nèi)腔合并處理,因?yàn)榻^大多數(shù)冷卻孔內(nèi)流道與前部?jī)?nèi)腔連接,所以本研究只對(duì)前部?jī)?nèi)腔的分塊和網(wǎng)格生成進(jìn)行說(shuō)明。如圖5所示,不帶冷卻孔流道的單獨(dú)內(nèi)腔結(jié)構(gòu)可以用簡(jiǎn)單曲面六面體分塊,加上冷卻孔流道以后,可以參考葉片處理冷卻孔結(jié)構(gòu)的方法,如圖5(a)～(c)所示,只需將內(nèi)腔切割并在相應(yīng)位置使用ANSYSICEM中按頂點(diǎn)(Vertex)生成塊結(jié)構(gòu)(Block)方法外接六面體即可,圖5(d)～(g)所示為實(shí)際生成網(wǎng)格。根據(jù)分析后認(rèn)為,在分層切割每層冷氣內(nèi)流道或冷卻孔的時(shí)候,要盡量保證近似把徑向高度大致相近的孔排放到同一層內(nèi),這樣做的目的一是為了盡量減少塊結(jié)構(gòu)的數(shù)量,同時(shí)也為了劃分塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格時(shí)候布點(diǎn)比較方便,但是相應(yīng)而來(lái)的缺點(diǎn)就是由于冷卻孔在葉片徑向高度變化較大,使得同一層分塊結(jié)構(gòu)可能前后發(fā)生較大的扭曲,如圖4(g)中壓力面靠近尾部網(wǎng)格線發(fā)生的變化。為了避免這種情況導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量發(fā)生惡化,應(yīng)當(dāng)盡量使這種高度變化在比較長(zhǎng)的距離內(nèi)發(fā)生,從而使扭曲在比較長(zhǎng)的距離內(nèi)逐漸過(guò)渡。2.3網(wǎng)格結(jié)構(gòu)不合理ANSYSICEM對(duì)于網(wǎng)格質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)比較多,而且對(duì)于不同的求解器來(lái)說(shuō),網(wǎng)格質(zhì)量的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是不一樣的,表1列出了ANSYSCFX求解器對(duì)于網(wǎng)格質(zhì)量評(píng)判的一些標(biāo)準(zhǔn)。由表格中可以看出,整體網(wǎng)格質(zhì)量分布最差的地方出現(xiàn)在葉片實(shí)體部分,具體的位置在復(fù)合角度網(wǎng)格孔附近,這是由于其特殊的冷卻結(jié)構(gòu)造成的。復(fù)合角度斜孔在流向和展向的方向上變化比較大,這一區(qū)域網(wǎng)格往往扭曲過(guò)大,造成網(wǎng)格質(zhì)量相對(duì)其它部分來(lái)說(shuō)差一些。表1最后一行給出了每部分網(wǎng)格質(zhì)量低于0.2(Quality<0.2)的網(wǎng)格數(shù)量占總網(wǎng)格數(shù)的百分比,由于幾何結(jié)構(gòu)的制約性,在無(wú)法完全消除低質(zhì)量網(wǎng)格的情況下,應(yīng)當(dāng)盡量減少低質(zhì)量網(wǎng)格數(shù)目,這樣就不會(huì)對(duì)計(jì)算精度有大的影響。由于網(wǎng)格最差的部分分布在葉片實(shí)體部分,不能完全消除,但是這一部分低質(zhì)量的網(wǎng)格數(shù)量是非常少的,因此對(duì)整體計(jì)算不會(huì)造成影響。3根據(jù)幾何構(gòu)造到結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成的解決方案