可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法及系统

本发明涉及涡轮叶片数值分析，具体为一种可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法、系统、设备及存储介质。

背景技术：

1、燃气涡轮是航空发动机的重要组成部分，而涡轮叶片则是燃气涡轮发动机的重要组成部件之一。为了保证燃气涡轮发动机在不同的环境中仍然有较高的效率，研究人员正积极开展通过调整涡轮叶片的安装角进而调整发动机效率的数值计算研究。为了实现对航空发动机在不同飞行高度和速度下的燃气流量、推力等的复杂控制，涡轮叶片变攻角动态的数值计算及气热特性分析就变得十分重要。

2、在涡轮叶片变安装角的过程中，计算域的几何会发生显著变化，与之相应的离散网格的形状和构造都需要改变。在以往的数值计算中一般使用光顺、铺层以及重构的动网格方法。由于叶片变安装角时叶片顶面和底面与叶栅通道的上、下端壁面形成了较大幅度的剪切运动，动网格方法在这一动态模拟计算过程通常难以保持网格的质量，在动态模拟计算过程中甚至会出现负体积的现象，这使得动态模拟计算过程的稳定性和结果的准确度、可信度难以得到保证。而重叠网格方法在动态模拟计算中能避免上述缺陷和不足。但重叠网格方法目前在飞行器旋翼交错、机载武器发射、起落架收放、船舶主动减摇鳍作动等动态过程中应用，由于叶栅通道内高温高压的流动环境，重叠网格方法目前并未在航空发动机尤其是变几何涡轮叶片上应用。对于变安装角方式的可调涡轮叶片的数值分析仍然只能使用离散的方法进行。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的由于叶栅通道内高温高压的流动环境，重叠网格方法计算目前并未在航空发动机尤其是变几何涡轮叶片上应用问题，本发明提供一种可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法，包括：

4、s1：在叶片和叶栅通道流体域之间建立叶片虚拟面，将叶栅通道流体域划分为通道背景流体域和包裹叶片四周的部件流体域，并将通道背景流体域网格划分为背景网格，将包裹叶片四周的部件流体域网格划分为部件网格；

5、s2：对背景网格和部件网格组成的计算域进行初始化，使背景网格和部件网格重叠，并将初始化的计算域赋予叶片运动规律；

6、s3：根据当下时间步内叶片转动的角速度，在赋予运动规律后的计算域中，控制包裹叶片四周的部件流体域在通道背景流体域中转动，并以虚拟面作为背景网格和部件网格重叠部分数据交换界面的起始面，更新背景网格和部件网格重叠部分的数据交换，进行当时下时间步的非定常数值迭代计算，直至收敛；

7、s4：将下一时间步作为当下时间步：

8、s5：迭代s3-s4，直至预设迭代次数；

9、s6：综合各个时间步下的非定常数值计算结果，获得可调涡轮的动态过程中的气热特性。

10、进一步地，所述通道背景流体域为机匣面、轮毂面、两个周期面、进口边界面和出口边界面所围成的区域。

11、进一步地，所述包裹叶片四周的部件流体域指叶片表面以外至叶片周围的叶片虚拟面以内所形成的流体空间。

12、进一步地，所述叶片虚拟面包络叶片的所有表面，且叶片虚拟面的端面与叶片端面之间的距离为0.5％～1.8％倍叶高；叶片虚拟面的四周面与叶片周围表面之间的距离为4％～8％倍片弦长。

13、优选地，所述背景网格和部件网格的重叠部分的重叠网格大于等于4层，且重叠区域的背景网格和部件网格大小一致。

14、进一步地，s2的具体方法为：

15、对背景网格和部件网格组成的计算域进行初始化，使背景网格和部件网格重叠；

16、在一次叶片运动开始前，将一次叶片运动过程的时间跨度t向前延伸时间t1；

17、在一次叶片运动结束后，将一次叶片运动过程的时间跨度t向后延伸时间t2；

18、则总时间为：t1+t+t2；

19、当下时间t≤t1时，叶片静止，则叶片运动速度为ν＝f'(t)＝0；

20、t1＜当下时间t≤(t1+t)时，叶片运动规律为f(t-t1)，叶片运动速度为ν＝f'(t-t1)；

21、(t1+t)＜当下时间t时，叶片静止，则叶片运动速度为ν＝f'(t)＝0；

22、将运动规律赋予至初始化的计算域。

23、进一步地，所述向前延伸时间t1为0.01～0.2个一次叶片运动过程的时间跨度t；所述向后延伸时间t2为0.2～1个一次叶片运动过程的时间跨度t。

24、一种可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法系统，包括：

25、网格划分模块：用于在叶片和叶栅通道流体域之间建立叶片虚拟面，将叶栅通道流体域划分为通道背景流体域和包裹叶片四周的部件流体域，并将通道背景流体域网格划分为背景网格，将包裹叶片四周的部件流体域网格划分为部件网格；

26、叶片运动规律赋予模块：用于对背景网格和部件网格组成的计算域进行初始化，使背景网格和部件网格重叠，并将初始化的计算域赋予叶片运动规律；

27、当时下时间步的非定常数值迭代计算模块：用于根据当下时间步内叶片转动的角速度，在赋予运动规律后的计算域中，控制包裹叶片四周的部件流体域在通道背景流体域中转动，并以虚拟面作为背景网格和部件网格重叠部分数据交换界面的起始面，更新背景网格和部件网格重叠部分的数据交换，进行当时下时间步的非定常数值迭代计算，直至收敛；

28、当下时间步设定模块：用于将下一时间步作为当下时间步：

29、迭代计算模块：用于迭代计算下一时间步的非定常数值；

30、气热特性获取模块：用于综合各个时间步下的非定常数值计算结果，获得可调涡轮的动态过程中的气热特性。

31、一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤。

32、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

33、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

34、本发明公开了一种可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法。该算法通过将叶栅通道流体域分离为通道背景流体域和包裹叶片四周的部件流体域，根据叶片运动规律，控制部件流体域在背景流体域中转动，两个流体域所对应的网格在空间中重叠并交换数据，实现可调涡轮的动态过程气热特性分析的编辑和动态过程的数值计算。本方法采用重叠网格方法，避免了传统计算方式存在的网格质量难以保持，动态模拟计算过程的稳定性和结果的准确度、可信度差的缺陷，实现了可调涡轮动态过程的连续计算而不是变化过程中某几个状态点的离散计算，相比于传统多数个集散点计算形成的大量重复的“调整几何、划分网格、设定边界条件、数值计算”工作，本方法仅需一次前处理和非定常数值计算，极大的减小了工作量。该方法简单，适用的叶片调整运动函数广，可以实现多种方式的叶片几何调整运动。

35、将所述通道背景流体域为机匣面、轮毂面、两个周期面、进口边界面和出口边界面所围成的区域。将所述包裹叶片四周的部件流体域指叶片表面以外至叶片的周围虚拟面以内所形成的流体空间，可保证重叠网格法在航空发动机尤其是变几何涡轮叶片上的顺利应用，并保证数值计算的可靠性和准确性。

36、所述叶片虚拟面包络叶片的所有表面，且叶片虚拟面的端面与叶片端面之间的距离为0.5％～1.8％倍叶高；叶片虚拟面的四周面与叶片周围表面之间的距离为4％～8％倍片弦长。可保证在计算过程中包裹叶片四周的部件流体域始终有四层以上网格与通道背景流体域重叠的同时，控制网格数量，降低计算成本。

37、本发明还提供一种可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法系统，该系统通过网格划分模块的设置实现了在叶片和叶栅通道流体域之间建立叶片虚拟面，将叶栅通道流体域划分为通道背景流体域和包裹叶片四周的部件流体域，并将通道背景流体域网格划分为背景网格，将包裹叶片四周的部件流体域网格划分为部件网格；通过叶片运动规律赋予模块的设置，实现了对背景网格和部件网格组成的计算域进行初始化，使背景网格和部件网格重叠，并将初始化的计算域赋予叶片运动规律；通过当时下时间步的非定常数值迭代计算模块的设置，实现了根据当下时间步内叶片转动的角速度，在赋予运动规律后的计算域中，控制包裹叶片四周的部件流体域在通道背景流体域中转动，并以虚拟面作为背景网格和部件网格重叠部分数据交换界面的起始面，更新背景网格和部件网格重叠部分的数据交换，进行当时下时间步的非定常数值迭代计算，直至收敛；通过当下时间步设定模块和迭代计算模块的设置，实现了将下一时间步作为当下时间步，并以此进行迭代计算；最后，通过气热特性获取模块的设置，实现了可调涡轮的动态过程中的气热特性的获取，系统结构简单，易于操作，且计算结果准确可靠性高，可为后续调整发动机效率的数值计算研究提供可靠依据。

38、本发明提供一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述方法的步骤，设备结构简单，改造成本低，资源占据小。

39、本发明还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有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。该存储介质便携性好，通用性强。

技术特征：

1.一种可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法，其特征在于，所述通道背景流体域为机匣面、轮毂面、两个周期面、进口边界面和出口边界面所围成的区域。

3.根据权利要求1所述的可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法，其特征在于，所述包裹叶片四周的部件流体域指叶片表面以外至叶片周围的叶片虚拟面以内所形成的流体空间。

4.根据权利要求3所述的可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法，其特征在于，所述叶片虚拟面包络叶片的所有表面，且叶片虚拟面的端面与叶片端面之间的距离为0.5％～1.8％倍叶高；叶片虚拟面的四周面与叶片周围表面之间的距离为4％～8％倍片弦长。

5.根据权利要求1所述的可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法，其特征在于，所述背景网格和部件网格的重叠部分的重叠网格大于等于4层，且重叠区域的背景网格和部件网格大小一致。

6.根据权利要求1所述的可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法，其特征在于，s2的具体方法为：

7.根据权利要求6所述的可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法，其特征在于，所述向前延伸时间t1为0.01～0.2个一次叶片运动过程的时间跨度t；所述向后延伸时间t2为0.2～1个一次叶片运动过程的时间跨度t。

8.一种可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法系统，其特征在于，包括：

9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明涉及涡轮叶片数值分析技术领域，尤其涉及一种可调涡轮的动态过程气热特性分析的数值计算方法、系统、设备及存储介质，该方法通过采用重叠网格方法，避免了传统计算方式存在的网格质量难以保持，动态模拟计算过程的稳定性和结果的准确度、可信度差的缺陷，实现了可调涡轮动态过程的连续计算而不是变化过程中某几个状态点的离散计算，相比于传统多数个集散点计算形成的大量重复的“调整几何、划分网格、设定边界条件、数值计算”工作，本方法仅需一次前处理和非定常数值计算，极大的减小了工作量。该方法简单，适用的叶片调整运动函数广，可以实现多种方式的叶片几何调整运动。

技术研发人员：汪翔宇,李慧,杜小奔,丰镇平
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23