[发明专利]一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法

说明书

本发明提供一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法，包含计算网格模型设置和数值计算方法设置。计算网格模型设置和数值计算方法设置分别基于IGG/AutoGrid5和ANSYS/CFX两种不同的软件。两种不同软件之间通过网格转换器自编程序进行网格数据传递。整个计算流程集合了不同软件的优势，目的是为准确预测压气机喘振边界提供合适的网格模型和适合的数值计算方法。本发明提出的网格设置方法生成的网格质量高、网格节点数少，并综合考虑了某些压气机实际几何结构特征。本发明提出的数值设置方法不受压气机叶型构造型面不光顺的影响，鲁棒性较好，适用性广。本发明可以广泛应用于轴流压气机、轴流压缩机、轴流风机和轴流风扇等叶轮机械气动设计过程中。

技术领域

本发明涉及一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法，属于叶轮机械气动设计领域，可以广泛应用于轴流压气机、轴流压缩机、轴流风机和轴流风扇等叶轮机械气动设计过程中。

背景技术

压气机作为航空发动机及地面燃气轮机的核心部件之一，其稳定性好坏直接影响到发动机的安全运行。喘振作为压气机运行过程中极易出现的一种不稳定工况，危害极大。因此在设计过程中如何准确预测压气机喘振边界、避免压气机喘振发生就显得格外重要。

目前常用的压气机喘振边界预测方法大致可以归纳为3类：经验模型方法、三维数值计算方法和试验方法。通过试验方法获得的压气机喘振边界具有很高的可信度，然而压气机试验耗费周期长、花费巨大、所需试验装置复杂，很难在初始设计阶段广泛应用。相比试验方法来说，通过经验模型方法来预测压气机喘振边界可以说是十分简单、便捷。经验模型方法是一类基于压气机试验数据分析、用经验关系式而建立的压气机喘振边界预测方法。然而这类方法对设计者工程经验依赖度较高，要求设计者需要有较强的理论功底，要预测准，还需进行大量的试凑试验。同时这类方法往往忽略了压气机某些重要的几何参数如叶栅通道结构型式、叶型类别、叶栅负荷类型和叶栅几何参数沿径向变化等对压气机性能的影响，这也是制约该类方法预估精度和适用范围的主要瓶颈。近年来，随着计算机技术和计算流体动力学 (CFD)的快速发展，三维数值计算方法也开始应用于压气机喘振边界预测，并取得了较好的进展。三维数值计算方法能够客观地、全面地反映压气机不同工况特性和内部流场，在压气机设计时，可以预估压气机性能，分析压气机设计存在的问题，并为优化设计提供依据。但由于受到湍流模型、网格质量、空间离散方法和计算周期等因素的限制，此方法在压气机设计中还难以得到广泛应用。本发明主要是解决这方面的问题，从而为准确计算压气机喘振边界提供合适的网格模型和数值计算方法。

发明内容

合适的网格往往是准确模拟一些复杂流动的关键，并不是网格数越多越好。网格数量越多，往往使计算得到的压气机效率较试验结果偏高，且网格数量越多，对于多级压气机来说，还将面临计算难度大、不容易收敛等问题。为解决长期困扰叶轮机械气动设计者不能准确预测压气机喘振边界的问题，本发明提出了一种基于全三维数值模拟的轴流压气机喘振边界计算方法。

本发明的目的是这样实现的：步骤如下：

步骤一：准备叶栅几何数据文件；

步骤二：将叶栅几何数据文件导入IGG/AutoGrid5网格生成前处理软件；

步骤三：生成结构化网格，在网格生成过程中考虑叶栅端部间隙及倒角、压气机放\引气、静叶端部气封间隙泄漏和串联叶栅的结构影响因素；

步骤四：网格转换将生成的网格导入到ANSYS/CFX软件中进行求解，为实现两种不同软件之间数据传递及互联互通，通过自编程序将IGG/AutoGrid5生成的网格文件转换成CFX 可以识别的计算文件；

步骤五：导入数值计算求解器，进行数值计算，湍流模型采用k-ε湍流模型加Scalable 壁面函数，从而适应不同y⁺变化；

步骤六：导入后处理器，对生成的压气机网格进行数值计算和结果分析，从而可以快速地为压气机优化设计提供参考。