[发明专利]一种高低压涡轮过渡流道型面反问题设计方法

摘要

本发明提供了一种高低压涡轮过渡流道型面反问题设计方法，根据高低压涡轮过渡流道几何约束条件，采用n次贝塞尔曲线构建端壁型面线，将端壁型面线旋转360度得到过渡流道三维几何，基于三维粘性数值分析对涡轮过渡流道实施正问题数值求解，得到轮毂和机匣端壁型面静压沿流向分布；计算过渡流道壁面虚拟移动速度，再乘以一个虚拟时间步长，得到壁面虚拟位移，虚拟位移即为反问题计算过程中的型面几何更新量。本发明针对高低压涡轮过渡流道端壁型面，根据设计需求预先给定流道端壁型面沿程静压分布，采用所给出的高低压涡轮过渡流道型面反问题设计方法，对初始流道进行反问题改型设计，得到满足预先给定的静压分布的涡轮过渡流道型面几何。

主权项

1.一种高低压涡轮过渡流道型面反问题设计方法，其特征在于包括下述步骤：步骤1：根据初始给定的高低压涡轮过渡流道几何约束条件，分别采用两个n次贝塞尔曲线构建其端壁型面线，构建过程为：首先，由上下游部件的几何约束条件确定贝塞尔曲线的控制点，然后由控制点得到贝塞尔曲线数学表达式，最后通过线性插值获得端壁型线的离散点坐标；每条贝塞尔曲线的数学表达式为：式(1)中，Fi为贝塞尔曲线控制点坐标，i＝0,1,…,n，且包含横坐标与纵坐标；u为插值变量，取值范围为[0,1]，F(u)为对应插值变量的坐标；步骤2：将步骤1得到的端壁型面线旋转360度得到过渡流道三维几何，基于三维粘性数值分析对涡轮过渡流道实施正问题数值求解，得到轮毂和机匣端壁型面静压沿流向分布；预先给定满足设计需求的轮毂和机匣的静压分布，保证过渡流道壁面特征量守恒的前提下，利用预先给定的静压分布与实际计算的静压分布之间偏差量，计算得到过渡流道壁面虚拟移动速度，再乘以一个虚拟时间步长，得到壁面虚拟位移，虚拟位移即为反问题计算过程中的型面几何更新量；详细步骤如下：壁面特征量采用一维黎曼不变量，高低压涡轮过渡流道轮毂和机匣端壁型面一维黎曼不变量为：其中，R是一维黎曼不变量，上标h和s分别对应过渡流道轮毂和机匣；vn为壁面法向速度；γ为比热比；c为声速，c表示为：其中，p为静压；ρ为密度；在过渡流道型面更新过程中，保证一维黎曼不变量守恒，即：其中，上标new对应过渡流道型面更新后的流动状态；假定过渡流道型面更新前后密度保持不变，即ρ＝ρnew，并且采用无滑移边界条件，更新前的流道壁面气流法向速度为零，式(4)可转换为：式中，(p^h)^new和(p^s)^new分别为预先给定的流道轮毂和机匣表面静压分布；表示反问题计算过程中轮毂壁面静压从p^h变化到(p^h)^new时，该网格节点需要移动的虚拟法向速度；表示反问题计算过程中机匣壁面静压从p^s变化到(p^s)^new时，该网格节点需要移动的虚拟法向速度；选定虚拟时间步长Δt为临近壁面网格的当地时间步长作为虚拟时间步长，将壁面法向速度乘以虚拟时间步长Δt即可得到壁面的虚拟法向位移为：当(ph)new＝ph且(ps)new＝ps，即轮毂和机匣处静压达到预先给定静压时，虚拟法向速度等于零，虚拟位移也等于零，即轮毂和机匣壁面更新量为零，此时得到的过渡流道型面几何即为满足预先给定静压分布的型面几何。