CN107060890B - 一种涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法，在UG中导入叶片模型；首先，根据叶片模型，创建覆盖叶片的初步流体计算区域，然后创建叶片中弧面片体，并沿片体四条边，按照自然曲率方式进行延伸，且保证片体能穿透初步流体计算区域，旋转延伸片体得到叶片流体计算区域前、后边界面，按照指定高度，创建叶片流体计算区域上、下边界面；再根据上下及前后边界面修剪初步得到的流体计算区域，分别拉伸修减后的实体对应叶片前、尾缘面的轮廓，得到流体进出口区域；将创建的流体计算区域与叶片实体进行布尔减，抽取叶片实体的内型和外型面，根据内外型面分割布尔减得到的实体，得到具有燃气域和冷气域的气热耦合计算域几何模型。

Description

一种涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法

技术领域

本发明涉及涡轮叶片设计领域，具体来说，是一种涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法。

背景技术

现代航空燃气涡轮发动机为了获得更高的推重比和热效率，不断提高涡轮入口温度，目前涡轮进口温度已经远远超过叶片材料的熔点温度，必须采用复杂的冷却技术来保持涡轮叶片的正常工作，准确预测涡轮叶片的温度场是提高冷却效率、延长叶片工作寿命的关键问题，随着计算流体力学的不断发展，气热耦合数值模拟技术已经成为预测发动机热端部件温度分布的重要工具，但是针对结构复杂的涡轮叶片的气热耦合数值模拟计算周期长、计算难度大，其中计算域几何建模和网格前处理占用大量的时间，且模型精度难以控制，制约了其在燃气涡轮工程设计中的应用。

气热耦合计算就是在分析过程中同时考虑流体运动和温度场相互作用的计算方法，在计算过程中，通过对流场、结构内部传热、流场与结构接触面之间流动与换热边界的计算等多场耦合计算。涡轮叶片气热耦合计算域几何模型是由涡轮叶片内部流道冷气域、外部燃气域以及涡轮叶片实体组成；涡轮叶片实体模型由于在进行数值模拟前已经存在，故以下所述涡轮叶片气热耦合计算域几何模型不包括涡轮叶片实体。涡轮叶片气热耦合计算域几何模型建模首先根据涡轮叶片实体，创建覆盖叶片的初步流体计算区域，然后确定叶片流体计算区域前、后边界面，接着按照指定高度，创建叶片流体计算区域上、下边界面；再根据上下以及前后边界面修剪初步得到的流体计算区域，分别拉伸修减后的实体所对应叶片前、尾缘面的轮廓，并指定对应的进出口角度和拉伸长度，得到流体进出口区域；将创建的流体计算区域与叶片实体进行布尔减，抽取叶片实体的内型和外型面，并根据内外型面分割布尔减得到的实体，得到具有燃气域和冷气域的气热耦合计算域几何模型。

但在工程实际中，通过上述方法形成的涡轮叶片气热耦合计算域几何模型存在着一些不足：

(1)涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的创建属于学科交叉问题，关于其参数化造型的研究与相关专利较少，导致涡轮叶片在进行气热耦合数值模拟的时候由CAD模型到CAE模型的转换存在模型精度和建模效率问题。

(2)现有方法涡轮叶片流体计算区域前、后边界面的确定一般采用的是叶片叶盆曲面或者叶背曲面，导致分割后的流体计算域不对称，影响后续网格划分和有限元分析。

(3)现有涡轮叶片气热耦合计算域几何模型建模主要的还是内部流道相对简单的涡轮叶片，仍缺少对于一些内部流道复杂的涡轮叶片气热耦合计算域几何模型建模。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法，通过在UG(Unigraphics，交互式计算机辅助设计与计算机辅助制造***)中构建能够完全覆盖以及可控进出口角度的流体计算域，然后由所生成的流体计算域几何模型与涡轮叶片实体进行布尔求差运算，并对关键的热交换面进行处理，最终涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型。

本发明一种涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法，具体通过下述步骤实现：

步骤1：在UG中导入涡轮叶片实体文件；

在UG中建模模块，导入存在的涡轮叶片实体文件；使UG绝对坐标系O(x,y,z)中原点O位于涡轮发动机的轴线上，Z轴正向位于叶高方向，X轴正向为沿发动机中心线从前向后方向，Y轴正向按右手直角坐标系确定；

步骤2：在基准面YOZ内部创建草图，并在草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的矩形，其中，定形参数为矩形的长度l₁与宽度w₁，且矩形大于叶片在YOZ内的最小包围矩形，定位参数为矩形中心线与Z轴重合，底边距X轴距离为d₁，d₁小于叶片最小包围盒Z值；创建完矩形草图后，UG自动生成矩形长度l₁的表达式P₁、宽度w₁的表达式P₂以及底边距X轴距离为d₁的表达式P₃；将上述创建的草图为拉伸轮廓，拉伸方向为X轴方向，拉伸沿拉伸方向起始位置为-d₂，结束位置为d₂，要求d₂大于叶片截面线最长弦长的一半，生成能够覆盖涡轮叶片初步流体计算区域；

步骤3：通过叶片叶顶中弧线和叶根中弧线创建中弧面片体，将得到的中弧面片体沿其四条边按照自然曲率的延伸方法延伸一定距离并保证片体能够穿透步骤2创建的初步流体计算区域，即延伸片体；

步骤4：以原点O为旋转中心，X轴为旋转轴，旋转角度为α₁，旋转步骤3创建的延伸片体，以同样的方式旋转角度-α₁，旋转角度与涡轮的叶片数相关，并创建角度α₁表达式P₄，分别得到涡轮叶片流体计算区域前后边界面；

步骤5：在基准面XOZ平面内创建草图,并在草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的直线段，其中定形参数为直线段长度l₂(l₂＞l₁)，定位参数为直线段中点与Z轴重合，距X轴距离为d₂；创建完草图后UG自动生成直线段长度l₂的表达式P₅和距X轴距离为d₂的表达式P₆；以原点O为旋转中心，X轴为旋转轴，旋转已经创建草图，旋转开始角度为-α₂，旋转结束角度为α₂，生成涡轮叶片流体计算区域上边界面，以同样的方式创建草图并旋转，生成涡轮叶片流体计算区域的下边界面，其中草图的参数设定为:草图基准面为XOZ平面，草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的直线段，定形参数为直线段长度l₂(l₂＞l₁)，定位参数为直线段中点与Z轴重合，距X轴距离为d₃及其表达式P₇，同时生成旋转角度α₂表达式P₈；

步骤6：根据步骤4和步骤5创建的涡轮叶片流体计算区域边界面(前、后、上、下边界面)对步骤2创建的涡轮叶片初步流体计算区域进行修剪；

步骤7：采用拉伸的方法，根据涡轮叶片前缘正对步骤6修剪后的实体的面的轮廓作为拉伸曲线，以与X轴方向逆时针夹角α₃构建的方向向量为拉伸方向，拉伸长度为l₃，创建夹角α₃的表达式P₉以及拉伸长度为l₃的表达式P₁₀，得到涡轮叶片进气流体区域；以同样的方式，对涡轮叶片尾缘正对步骤6修剪后的实体的面的轮廓作为拉伸曲线，以与X轴方向逆时针夹角α₄构建的方向向量为拉伸方向，拉伸长度为l₄，创建夹角α₄的表达式P₁₁以及拉伸长度为l₄的表达式P₁₂，得到涡轮叶片出气流体区域；

步骤8：将步骤7得到的涡轮叶片进气流体区域和出气流体区域几何模型与步骤1导入的涡轮叶片实体进行布尔减操作，得到涡轮叶片气热耦合流体计算域几何模型；

步骤9：抽取涡轮叶片实体外型面和内型面，将抽取的面对涡轮叶片气热耦合流体计算域几何模型的燃气域和冷气域进行分割，得到符合要求的涡轮叶片气热耦合流体计算域几何模型。

通过上述方法可实现涡轮叶片气热耦合流体计算域模型的边界参数α₁、α₂、d₁、d₂、d₃，进气口流体域角度α₃、长度l₃，出气口流体域角度α₄、长度l₄等参数的全参数化，即由UG生成表达式，通过更改表达式的值，直接进行涡轮叶片气热耦合流体计算域几何模型的修改。

其中，所述长度l₁、宽度w₁以及距离d₁完全包裹叶片实体，长度l₂＞2d₂,距离d₃＞d₁＞d₂。

其中，所述α₁，α₂，α₃的取值范围为：-90°＜α₁＜90°，0°＜α₂＜360°，0°＜α₃＜360°。

本发明的优点在于：

(1)本发明能够为涡轮叶片气热耦合数值模拟提供灵活的气热耦合计算域模型参数化造型方法，为气热耦合数值模拟提供快速的计算域建模方法以及精确的几何模型，加快实现对涡轮叶工作状态的模拟；

(2)本发明采用中弧面片体作为基准，创建流体计算域前、后边界面，使得分割后的流体域是对称的，且符合流体在发动机机匣内部的流动形式，该方法比采用叶片的叶盆曲面或者叶背曲面作为基准得到的几何模型更加适应后续的网格划分和有限元分析。

(3)本发明气热耦合计算域几何模型参数化造型方法，给出了气热耦合计算域几何模型的完全参数化造型方法，能够快速准确的对具有复杂内部流道的涡轮叶片进行气热耦合计算域几何模型造型设计，且方便后续更改，增加了叶片设计的自动化程度，缩短涡轮叶片研发周期。

附图说明

图1为涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法流程图。

图2为涡轮叶片实体。

图3为创建初步覆盖叶片流体区域实体示意图。

图4为创建气热耦合计算域前后边界面示意图。

图5为创建气热耦合计算域上下边界面示意图。

图6为创建气热耦合计算域进出口区域示意图。

图7a气热耦合计算域燃气域部分。

图7b气热耦合计算域冷气域部分。

图中标号说明如下：

1.涡轮叶片2.中弧线3.中弧面片体4.前缘5.尾缘

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明一种涡轮叶片气热耦合计算几何域模型的参数化造型方法，基于UG环境，通过下述步骤实现，如图1所示：

步骤1：启动UG，导入涡轮叶片实体文件；

打开UG中建模模块，导入存在的涡轮叶片1(如图2所示)实体文件；使UG绝对坐标系O(x,y,z)中原点O位于涡轮发动机的轴线上，Z轴正向位于叶高方向，X轴正向为沿发动机中心线从前向后方向，Y轴正向按右手直角坐标系确定，如图2所示。

步骤2：在基准面YOZ内部创建草图，并在草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的矩形，其中，定形参数为矩形的长度l₁与宽度w₁，定位参数为矩形中心线与Z轴重合，底边距X轴距离为d₁；创建完矩形草图后，UG自动生成矩形长度l₁的表达式P₁、宽度w₁的表达式P₂以及底边距X轴距离为d₁的表达式P₃，拉伸所创建的草图，拉伸方向为X轴方向，拉伸沿拉伸方向起始位置为-d₂，结束位置为d₂，生成能够覆盖涡轮叶片初步流体计算区域，本实施例中l₁为100.0mm，w₁为50.0mm，d₂为20.0mm，d₁为272.5mm如图3所示；

步骤3：通过叶片中弧线2(如图4所示)创建中弧面片体3(如图4所示)，将得到的中弧面片体沿其四条边，按照自然曲率的延伸方法延伸一定距离并保证片体能够穿透步骤2创建的初步流体计算区域，即延伸片体；本实施例中延伸长度为20.0mm；

步骤4：以原点O为旋转中心，X轴为旋转轴，旋转角度为α₁，旋转步骤3创建的延伸片体，以同样的方式旋转角度-α₁，并创建角度α₁表达式P₄，分别得到涡轮叶片流体计算区域前、后边界面，本例旋转角度α₁为5°，如图4所示；

步骤5：在基准面XOZ平面内创建草图,并在草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的直线段，其中定形参数为直线段长度l₂(l₂＞2d₂)，定位参数为直线段中点与Z轴重合，距X轴距离为d₂；创建完草图后UG自动生成直线段长度l₂的表达式P₅和距X轴距离为d₂的表达式P₆；以原点O为旋转中心，X轴为旋转轴，旋转已经创建草图，旋转开始角度为-α₂，旋转结束角度为α₂，生成涡轮叶片流体计算区域上边界面，以同样的方式创建草图并旋转，生成涡轮叶片流体计算区域的下边界面，其中草图的参数设定为草图基准面为XOZ平面，草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的直线段，定形参数为直线段长度l₂(l₂＞l₁)，定位参数为直线段中点与Z轴重合，距X轴距离为d₃及其表达式P₇，同时生成旋转角度α₂表达式P₈；，本例中，l₂为168mm，d₂为20.0mm，旋转角度α₂为15°，d₃为275.0mm，如图5所示；

步骤6：根据步骤4和步骤5创建的涡轮叶片流体计算区域边界面(前、后、上、下边界面)对步骤2创建的涡轮叶片初步流体计算区域进行修剪；

步骤7：采用拉伸的方法，根据涡轮叶片前缘4(如图6所示)正对步骤6修剪后的实体的面的轮廓作为拉伸曲线，以与X轴方向逆时针夹角α₃构建的方向向量为拉伸方向，拉伸长度为l₃，创建夹角α₃的表达式P₉以及拉伸长度为l₃的表达式P₁₀，得到涡轮叶片进气流体区域；以同样的方式，对涡轮叶片尾缘5(如图6所示)正对步骤6修剪后的实体的面的轮廓作为拉伸曲线以与X轴方向逆时针夹角α₄构建的方向向量为拉伸方向，拉伸长度为l₄，创建夹角α₄的表达式P₁₁以及拉伸长度为l₄的表达式P₁₂，得到涡轮叶片出气流体区域，本例中：角度α₃为30°，长度l₃为50mm，角度α₄为30°，长度l₄为50mm，如图6所示；

步骤8：将步骤7得到的涡轮叶片进气流体区域和出气流体区域几何模型与步骤1导入的涡轮叶片实体进行布尔减操作，得到涡轮叶片气热耦合流体计算域几何模型；

步骤9：抽取涡轮叶片实体外型面和内型面，将抽取的面对涡轮叶片气热耦合流体计算域几何模型的燃气域和冷气域进行分割，分割后的燃气域如图7a所示，冷气域如图7b所示。

Claims (3)

1.一种涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法，其特征在于：基于UG环境，通过下述步骤实现：

步骤1：在UG中导入涡轮叶片实体文件；

在UG中建模模块，导入存在的涡轮叶片实体文件；使UG绝对坐标系O(x，y，z)中原点O位于涡轮发动机的轴线上，Z轴正向位于叶高方向，X轴正向为沿发动机中心线从前向后方向，Y轴正向按右手直角坐标系确定；

步骤2：在基准面YOZ内部创建草图，并在草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的矩形，其中，定形参数为矩形的长度l₁与宽度w₁，且矩形大于叶片在YOZ内的最小包围矩形，定位参数为矩形中心线与Z轴重合，底边距X轴距离为d₁，d₁小于叶片最小包围盒Z值；创建完矩形草图后，UG自动生成矩形长度l₁的表达式P₁、宽度w₁的表达式P₂以及底边距X轴距离为d₁的表达式P₃；将上述创建的草图为拉伸轮廓，拉伸方向为X轴方向，拉伸沿拉伸方向起始位置为-d₂，结束位置为d₂，要求d₂大于叶片截面线最长弦长的一半，生成能够覆盖涡轮叶片初步流体计算区域；

步骤3：通过叶片叶顶中弧线和叶根中弧线创建中弧面片体，将得到的中弧面片体沿其四条边按照自然曲率的延伸方法延伸一定距离并保证片体能够穿透步骤2创建的初步流体计算区域，即延伸片体；

步骤4：以原点O为旋转中心，X轴为旋转轴，旋转角度为α₁，旋转步骤3创建的延伸片体，以同样的方式旋转角度-α₁，旋转角度与涡轮的叶片数相关，并创建角度α₁表达式P₄，分别得到涡轮叶片流体计算区域前后边界面；

步骤5：在基准面XOZ平面内创建草图，并在草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的直线段，其中定形参数为直线段长度l₂，l₂＞l₁，定位参数为直线段中点与Z轴重合，距X轴距离为d₂；创建完草图后UG自动生成直线段长度l₂的表达式P₅和距X轴距离为d₂的表达式P₆；以原点O为旋转中心，X轴为旋转轴，旋转已经创建草图，旋转开始角度为-α₂，旋转结束角度为α₂，生成涡轮叶片流体计算区域上边界面，以同样的方式创建草图并旋转，生成涡轮叶片流体计算区域的下边界面，其中草图的参数设定为:草图基准面为XOZ平面，草图内创建一个同时包含定形参数和定位参数的直线段，定形参数为直线段长度l₂，l₂＞l₁，定位参数为直线段中点与Z轴重合，距X轴距离为d₃及其表达式P₇，同时生成旋转角度α₂表达式P₈；

步骤6：根据步骤4和步骤5创建的涡轮叶片流体计算区域边界面对步骤2创建的涡轮叶片初步流体计算区域进行修剪；区域边界包括前、后、上、下边界面；

步骤7：采用拉伸的方法，根据涡轮叶片前缘正对步骤6修剪后的实体的面的轮廓作为拉伸曲线，以与X轴方向逆时针夹角α₃构建的方向向量为拉伸方向，拉伸长度为l₃，创建夹角α₃的表达式P₉以及拉伸长度为l₃的表达式P₁₀，得到涡轮叶片进气流体区域；以同样的方式，对涡轮叶片尾缘正对步骤6修剪后的实体的面的轮廓作为拉伸曲线，以与X轴方向逆时针夹角α₄构建的方向向量为拉伸方向，拉伸长度为l₄，创建夹角α₄的表达式P₁₁以及拉伸长度为l₄的表达式P₁₂，得到涡轮叶片出气流体区域；

步骤8：将步骤7得到的涡轮叶片进气流体区域和出气流体区域几何模型与步骤1导入的涡轮叶片实体进行布尔减操作，得到涡轮叶片气热耦合流体计算域几何模型；

步骤9：抽取涡轮叶片实体外型面和内型面，将抽取的面对涡轮叶片气热耦合流体计算域几何模型的燃气域和冷气域进行分割，得到符合要求的涡轮叶片气热耦合流体计算域几何模型。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法，其特征在于：所述长度l₁、宽度w₁以及距离d₁完全包裹叶片实体，长度l₂＞2d₂，距离d₃＞d₁＞d₂。

3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片气热耦合计算域几何模型的参数化造型方法，其特征在于：所述α₁，α₂，α₃的取值范围为：-90°＜α₁＜90°，0°＜α₂＜360°，0°＜α₃＜360°。