CN109409016A - 一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，包括如下步骤：以单通道网格为输入输出全环网格，并标注每一个网格块所在的压气机叶排；将所有的网格块散布到不同的进程，在存储流场时每个进程单独输出其所分得的网格块上的流场，并为每一个叶排建立一个文件夹；依次读取各个叶排的流场数据，计算流场参数；根据可视化软件Tecplot的接口标准，输出流场可视化文件。本发明具备将多级压气机非定常的海量流场数据在单机上可视化的能力；本发明具备抽取并单独处理多级压气机中任一叶排的能力；本发明具备自动提取二维切面的能力和将流场文件大小缩小约一个数量级的能力。

Description

一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法

技术领域

本发明涉及一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，属于航空飞行器技术领域。

背景技术

在航空发动机压气机的设计和改型过程中，会推出多个压气机几何外形供选择，这时需要评估不同外形的全局气动性能和内部流动细节，为选型提供参考。压气机的内部流动细节极为丰富，其中叶尖泄露流、角区流动、叶排间非定常干涉、叶片压力分布、叶片上的激波/边界层干扰等直接影响到压气机叶片的局部性能，并间接影响到压气机的全局气动性能。通过压气机流动细节的可视化，可以直观的对这些流动细节进行评估。

同时，随着航空科学技术的进步和国家产业升级的推进，工业界对航空发动机压气机的性能要求也逐步提高。目前学术界和工业界对压气机性能提升的技术手段上，已经到了细抠流动细节，寻找优化方向的阶段。压气机流动细节可视化为寻找优化方向提供了手段。

压气机内部流动细节可视化有两种方法，一种是做试验，国内外通常采用PIV方法和多孔探针等测量技术，这种方法和技术的不足之处在于：

1)PIV方法又称粒子图像测速法，主要测量空间流场的速度分布信息，但是无法得到压气机内部空气的密度和压强等信息，且对于压气机较为封闭的内部空间，密集的叶片分布，高速的叶片转动等情况，极大的影响了PIV的效果，而且设备昂贵，成本高；

2)多孔探针被伸入到压气机内部，可以测量压气机内部流场的速度大小、方向及总压以及静压等信息，但是无法测试转子流动区域的信息，而且在压气机中加入其它物体会影响到流场的真实性，同时七孔探针的设计和加工难度较大。

压气机内部流动细节的第二种可视化方法是对基于CFD(计算流体力学)的数值模拟结果进行可视化，为了保证流动的模拟精度，对压气机整机进行全环非定常模拟是非常接近真实流动条件的。对这种全环非定常流动模拟结果进行可视化时，国内外通常采用输出满足可视化软件接口的全局流动信息，通过可视化软件进行流动的可视化，这种方法的不足之处在于：

1)全局流动信息文件太大，无法单机显示。由于压气机整机的级数较多，其全环非定常流动在某一个时刻的坐标信息和基础流动信息文件总大小近100G，这远远超过了普通单机的内存大小，无法在单机进行显示，只能通过在超级计算机上处理并输出图片或数据，操作复杂，操作效率较低，不够直观，不够灵活；

2)无法单独输出感兴趣的压气机叶排的坐标信息和流动信息，也无法单独输出某一叶排或某几个叶排的某些切面的坐标信息和流动信息，也无法仅输出感兴趣的流动变量；

3)缺少减小全局流动信息文件大小的方案。

为此，本发明提出了一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，该方法不仅能自动处理压气机全环非定常流动的计算结果文件，还能将每一个叶排的坐标信息和流动信息单独输出并进行独立显示，而且能够通过计算得到不同切面下的坐标信息和流动信息，并可以计算并输出感兴趣的流动参数，还能将流动信息文件减小约一个数量级。以上这些优点保证了可以在单机上随意的显示感兴趣的叶排、切面上的流场参数，操作方便灵活，为压气机的设计、改型和优化提供了有力的辅助手段。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提出了一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法。该非定常流动可视化方法对基于数值模拟得到的含压气机在某一时刻的模型坐标信息、空间坐标信息与空间的流动信息数据，通过后处理得到每个单独叶排的坐标信息和流动信息。然后，通过进一步的后处理，得到感兴趣的叶排、切面上的流场参数，根据可视化软件的接口标准，生成流动显示文件，用作流动显示。在需要的情况下，将流动显示文件的空间坐标和物面坐标格点输出，附在坐标点上的流场参数也隔点输出，可以将流动显示文件减少至隔点输出前的八分之一。

目的在于实现数值模拟结果数据和可视化软件之间的桥梁，实现在单机上随意的显示多级压气机全环流场中感兴趣的叶排、切面上的流场参数：

1)通过技术处理，实现压气机海量数据流场在单机上方便灵活的可视化手段；

2)通过各种形式展示流场细节，为压气机的设计过程中选型提供依据；

3)通过各种形式展示流场细节，为压气机在极端工作条件下的叶片受力情况提供分析手段；

4)为细抠流场细节提供直观的工具，从而为评估改型结果提供依据；

5)为细抠流场细节提供直观的工具，从而为确定优化方向提供依据。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，包括如下步骤：

步骤一、生成多级压气机单叶片通道的多块结构化网格；

步骤二、以步骤一生成的网格为输入，经旋转、确定对接关系处理后输出全环网格，并标注每一个网格块所在的压气机叶排；

步骤三、将所有的网格块散布到不同的进程，在存储流场时每个进程单独输出其所分得的网格块上的流场，并为每一个叶排建立一个文件夹；

步骤四、依次读取各个叶排的流场数据，计算流场参数；

步骤五、根据可视化软件Tecplot的接口标准，输出流场可视化文件。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明具备将多级压气机非定常的海量流场数据在单机上可视化的能力，能为方便、灵活、直观的观察并分析多级压气机非定常流动细节提供有力手段；本发明具备抽取并单独处理多级压气机中任一叶排的能力，能去掉无关信息，提高分析效率；本发明具备自动提取二维切面的能力和将流场文件大小缩小约一个数量级的能力，为在单机上方便的分析压气机叶排干涉等特性提供了便利的技术手段。具体表现如下：

1)通过将多级压气机每个叶排的网格和流场拆分，实现在单机上直观、灵活、高效的观察流场细节的功能，减少人工操作，提高压气机内部流动细节评估和寻优方向分析的效率；

2)通过将多级压气机每个叶排的网格和流场拆分，实现不同叶排之间单独的或组合形式下的流动可视化；

3)通过将流场信息插值到特殊切面上，不需人工干预，降低压气机流动细节分析时的人工成本和时间成本。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为航空发动机压气机非定常流动的可视化方法的流程图；

图2为单通道网格转为多通道/全环网格的示意图。

具体实施方式

一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，如图1所示，包括如下步骤：

步骤一、采用商业软件NUMECA或Pointwise等，生成多级压气机单叶片通道的多块结构化网格，这样需要生成的网格量小，生成速度快，大大减少了繁琐的人工操作，对个人电脑的内存要求也较低。

步骤二、通过轴流压气机全环网格生成软件SCTMC，以单通道网格为输入，经旋转、确定对接关系等处理后输出全环网格，标注每一个网格块所在的压气机叶排。由于全环网格数据文件大小可达数十GB,这一步可以在超级计算机上进行，不需要人工干预，也不用考虑个人电脑内存的限制，操作简单，可以直接获取所需的全环网格文件。

步骤三、再采用轴流压气机空气动力学计算软件ASPAC，通过有限体积方法，求解空气动力学控制方程，并在多级压气机的叶排间通过动态重叠网格技术交换数据，从而对多级压气机进行全环非定常模拟。通过模拟，可以得到不同时刻，压气机的三维全环瞬时流场。流场参数包括密度、速度和压强等。

在ASPAC的并行计算中，所有的网格块被散布到不同的进程，并会输入一个信息，即某一个网格块位于哪一个进程，以及其在该进程分得的所有网格块中的编号。在存储流场时，每个进程单独输出其所分得的网格块上在某一时刻的流场，尽管全环网格数据量极大，每个进程分得的数据量是比较小的，通过并行输出，提高计算的IO效率，减小IO错误发生的概率。因此，在收集某一个叶排的流场时，首先提取出位于该叶排的网格块，再从该网格块所在的进程的输出文件中，提取该网格块上的流场，最后汇总得到该叶排的网格信息以及对应的流场信息，并输出到每个叶排对应的文件夹下。

步骤四、分别在每个叶排所在的文件夹下，读入该叶排的网格块的坐标信息和对接关系信息，并读入位于该网格块的单元格心上的流场数据，然后将格心上的流场数据插值到格点上。对于感兴趣的压气机切面，比如S1流面、S2流面、S3流面等，将网格块的单元格点上的坐标与流场数据插值到切面上。这么做突破了现有商业后处理软件只能插值到平面切面上的限制，可以得到任意曲面上的流场。同时，这可以对每一个叶排的流场数据分别处理，减小了对个人计算机内存的需求。

如果需要展示三维空间流场信息，则通过流场参数，包括密度、速度、压强，计算感兴趣的组合参数，得到感兴趣的切面(或三维空间)对应的坐标信息和感兴趣的流场参数信息：

默认压气机转轴为x轴：

ρ:密度；u,v,w:沿x,y,z三个方向的速度分量；速度矢量；P:静压；

R:理想气体常数；C_p:定压比热；C_v:定容比热；P_ref:参考静压；ρ_ref:参考密度；

ω:压气机转速；x,y,z:坐标；比热比：静温：声速：

速度绝对值：马赫数：Ma＝V/a；

总压：

总温：熵：y向相对速度：v_r＝v+ω·z；

z向相对速度：w_r＝w-ω·y；涡量：

步骤五、根据可视化软件Tecplot的接口标准，输出流场可视化文件：

将计算网格数据点隔点输出，沿三个网格指标方向各减小至1/2，总数据文件减小至1/8。

步骤六、将不同叶排的可视化文件在Tecplot或者Ensight等可视化文件中组装在一起，便可显示多级压气机全环流场。由于此时每个叶排的可视化文件已经很小，组装起来的文件数据量一般在1GB以下，可以很方便的在个人计算机上对压气机流场特征进行观察及分析。

Claims (5)

1.一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、生成多级压气机单叶片通道的多块结构化网格；

步骤二、以步骤一生成的网格为输入，经旋转、确定对接关系处理后输出全环网格，并标注每一个网格块所在的压气机叶排；

步骤三、将所有的网格块散布到不同的进程，在存储流场时每个进程单独输出其所分得的网格块上的流场，并为每一个叶排建立一个文件夹；

步骤四、依次读取各个叶排的流场数据，计算流场参数；

步骤五、根据可视化软件Tecplot的接口标准，输出流场可视化文件。

2.根据权利要求1所述的一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，其特征在于：步骤三所述为每一个叶排建立一个文件夹的方法是：在收集某一个叶排的流场时，首先提取出位于该叶排的网格块，再从该网格块所在的进程的输出文件中，提取该网格块上的流场，最后汇总得到该叶排的网格信息以及对应的流场信息，并输出到每个叶排对应的文件夹下。

3.根据权利要求1所述的一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，其特征在于：步骤四所述计算流场参数的方法为：分别在每个叶排所在的文件夹下，读入该叶排的网格块的坐标信息和对接关系信息，并读入位于该网格块的单元格心上的流场数据，然后将格心上的流场数据插值到格点上；对于感兴趣的压气机切面，将网格块的单元格点上的坐标与流场数据插值到切面上。

4.根据权利要求1所述的一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，其特征在于：所述流场参数包括：

压气机转轴为x轴；

ρ:密度；u,v,w:沿x,y,z三个方向的速度分量；速度矢量；P:静压；

R:理想气体常数；C_p:定压比热；C_v:定容比热；P_ref:参考静压；ρ_ref:参考密度；

ω:压气机转速；x,y,z:坐标；比热比：静温：声速：

速度绝对值：马赫数：Ma＝V/a；

总压：

总温：熵：y向相对速度：v_r＝v+ω·z；

z向相对速度：w_r＝w-ω·y；涡量：

5.根据权利要求1所述的一种航空发动机压气机非定常流动可视化方法，其特征在于：在输出流场可视化文件时，将计算网格数据点隔点输出，沿三个网格指标方向各减小至1/2，总数据文件减小至1/8。