[发明专利]基于三维-准三维变维度耦合的气冷涡轮仿真方法和装置

说明书

一种基于三维‑准三维变维度耦合的气冷涡轮仿真方法和装置、计算机及存储介质，属于涡轮仿真技术领域，解决现仿真技术计算量巨大和预测性能低的问题。本发明方法包括：用准三维计算程序对整机或涡轮进行S2流面的建模和网格划分；用三维计算程序对涡轮叶型进行三维几何建模和网格划分；设置准三维计算程序初始边界条件，获取涡轮第一列静叶入口界面的参数；利用三维计算程序，获取冷却信息；获取涡轮第一级静叶的气膜孔信息；利用准三维计算程序，将气膜孔在叶型的位置及每列气膜孔的数量和S2流面网格节点对应；利用准三维计算程序，重新获取涡轮第一列静叶入口界面的参数。本发明适用于航空发动机整机或涡轮进行建模和对于整机或涡轮流场仿真。

技术领域

本申请涉及涡轮仿真技术领域，尤其涉及一种基于三维-准三维变维度耦合的气冷涡轮仿真方法和装置、计算机及存储介质。

背景技术

燃气轮机是一种通过燃烧室燃烧产生具有高温高压性质的气体工质带动涡轮做高速旋转继而产生动力的一种动力设备。随着现代工业的发展，涡轮进口温度早已超过当今先进材料的熔点。因此冷却的重要性变得不言而喻并且在冷却方法中，气膜冷却作为一种冷却方式被广泛使用。

涡轮气动设计体系经历了一系列的发展。从最开始使用一元流基元级方法改进叶片气动性能到上世纪五十年代涡轮叶片设计进入全三维时代，涡轮效率有了大幅度的提高。五十年代后期，吴仲华教授提出了两类流面的概念，即S1,S2流面，建立起了叶轮机械三元流动理论；其中S2流面是任意一条位于涡轮流道中轴向位置相等的径向线或基本上是径向的曲线上的质点，沿着各自流线向上下游流道延伸而成的空间曲面。

即在忽略粘性力时，叶片表面也是一个S2流面。随着计算机处理能力的提高，利用全三维数值模拟可以预测通道涡等的形成、发展以及尾迹的耗散等现象，但由于需要巨大的计算以及较长的时间需求，该方法仍难以在工程中广泛应用。而在一定的工作条件下，通过使用损失模型的准三维仿真计算则可以将误差控制在3％之内，并且凭借着较少的计算资源和较快的计算时间，准三维计算经常被用作涡轮初步气动设计的方法。

在该整机准三维计算程序中，考虑了涡轮气膜冷却，为此该程序提供了14种冷却方式，对于作用在叶型范围内的冷却方式提供了4种。对于冷气量不大的涡轮，这种程序固定冷却位置，需要用户手动给定冷气流量的方式尚且有一定的准确性，随着现代涡轮冷气流量的逐渐增大以及气膜孔分布面积逐渐扩大，该程序对于冷却的预测能力正在下降。

发明内容

本发明目的是为了解决现有仿真技术计算量巨大和预测性能低的问题，提供了一种基于三维-准三维变维度耦合的气冷涡轮仿真方法和装置、计算机及存储介质。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一方面，提供一种基于三维-准三维变维度耦合的气冷涡轮仿真方法，所述方法包括：

步骤1、采用准三维计算程序对整机或涡轮进行S2流面的建模和网格划分；

采用三维计算程序对涡轮叶型进行三维几何建模和网格划分；

步骤2、设置准三维计算程序的初始边界条件，根据所述初始边界条件，获取所述整机或涡轮的S2计算结果；根据所述S2计算结果，利用准三维计算程序，获取涡轮第一列静叶入口界面的平均总温、总压以及出口截面的平均静压；

步骤3、将所述涡轮第一列静叶入口界面的平均总温、总压以及出口截面的平均静压，作为涡轮第一列静叶三维计算的边界条件；

根据所述涡轮第一列静叶三维计算的边界条件，利用三维计算程序，获取涡轮第一级静叶的冷却信息，所述冷却信息为每个气膜孔的冷气流量与涡轮进口的燃气流量之比；

步骤4、获取涡轮第一级静叶上的气膜孔信息，所述气膜孔信息包括每列气膜孔的弦向相对位置、每列气膜孔在叶高方向的相对位置以及每列气膜孔的个数；

利用准三维计算程序，将气膜孔在叶型上的位置以及每列气膜孔的数量和S2流面网格节点进行对应；