CN118153486A - 一种压气机大级间引气动态仿真分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压气机大级间引气动态仿真分析方法，涉及压气机性能仿真技术领域，包括：确定压气机引气动态仿真过程中可变部件始末状态的几何边界；对可变部件始末状态的几何边界和气动边界进行离散化，重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件，构建动态仿真模型，在初始时刻的几何边界和气动边界下进行第一个物理时间步长的非定常求解，分别判断几何边界和气动边界是否改变，若气动边界发生改变，则对需要改变的气动边界重新设置；若几何边界发生改变，则更新所述动态仿真模型中的网格文件。本发明的压气机大级间引气动态仿真分析方法可获得压气机引气动态过程的性能和流场演化规律，实现压气机引气动态过程中的瞬态性能预测。
Description
技术领域
本发明涉及压气机性能仿真技术领域，具体涉及一种压气机大级间引气动态仿真分析方法。
背景技术
当前压气机级间引气动态过程分析采用三维软件在引气装置出口建立了节流阀模型，较好地反映了压气机叶片间流场的细节，针对模拟流动失稳有很好的适应性。
但旁路引气***在引气开关打开和关闭过程中，对压气机流动的动态影响效应突出，前期压气机性能计算分析存在预估精度不足，计算流量和效率偏差大的问题。同时已有的设计方法只能进行准稳态（离散稳态）的边界估算。受方法限制，目前压气机专业对大引气影响分析主要通过三维软件开展定常计算分析，对压气机引气动态的仿真研究尚处于起步阶段，缺少可用于动态条件的快速喘振边界（特性边界）预估方法。在压气机数值分析、压气机过渡态气动性能预测和流场演化特征分析等方面缺乏必要的理论基础和研究实力。因此，基于深入开展引气开关动态影响分析评估的迫切需求，提出一种压气机级间引气动态过程改进分析方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种压气机大级间引气动态仿真分析方法，以获得压气机引气动态过程的性能和流场演化规律。
本发明提供以下技术方案：一种压气机大级间引气动态仿真分析方法，包括：
确定压气机引气动态仿真过程中可变部件始末状态的几何边界；
根据可变部件的状态要求，采用线性变化对所述可变部件始末状态的几何边界和气动边界进行离散化处理，获得所述可变部件的中间过程的多个离散状态；其中，所述可变部件包括可调叶片和模式切换阀门；
将所述可变部件的网格生成过程记录为宏文件，根据所述多个离散状态，将所述宏文件中的几何相关属性进行更新，重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件；
根据重新获得的各个离散状态下的可变部件的网格文件，构建动态仿真模型；
通过所述动态仿真模型，在初始时刻的几何边界和气动边界下进行第一个物理时间步长的非定常求解，分别判断所述可变部件的几何边界和气动边界是否改变，若所述气动边界发生改变，则对需要改变的气动边界进行重新设置；若所述几何边界发生改变，则更新所述动态仿真模型中的网格文件；如果所述几何边界和气动边界均不改变，则进行下一个物理时间步长的非定常求解。
根据本申请一种实施例，确定压气机引气动态仿真过程中可变部件始末状态的几何边界，包括：
所述模式切换阀门的初始状态为关闭状态；根据压气机工作点特性进行动态仿真初始状态的定常计算，获得主阀门多孔介质模型参数，保持该模型参数不变，逐步增加所述模式切换阀门的流通面积直至引气量达到目标值，得到所述模式切换阀门的最终状态的流通面积；
所述可调叶片的初始状态和最终状态的几何边界为给定值。
根据本申请一种实施例，根据可变部件的状态要求，采用线性变化对所述可变部件始末状态的几何边界和气动边界进行离散化处理，包括：
根据可调叶片始末状态的可调角度，设定离散状态的角度变化值；根据所述离散状态的角度变化值，将所述可调叶片的中间变化过程离散为多个几何文件；
根据模式切换阀门始末状态的流通面积，设定离散状态的流通面积变化值，根据所述离散状态的流通面积变化值，将所述模式切换阀门的中间变化过程离散为多个气动文件。
根据本申请一种实施例，所述几何相关属性包括：几何文件名称、路径以及网格名称。
根据本申请一种实施例，通过所述动态仿真模型，在初始时刻的几何边界和气动边界下进行第一个物理时间步长的非定常求解，分别判断所述可变部件的几何边界和气动边界是否改变，包括：
将所述可调叶片和所述模式切换阀门之间的耦合作动关系定义为线性关系，且各部件的变化动作统一；
设置动态求解过程的间断控制点，在进行所述非定常求解的过程中，在所述间断控制点自动判断所述可调叶片的几何边界和所述模式切换阀门的气动边界是否发生改变。
根据本申请一种实施例，若所述可变部件的几何边界和气动边界发生改变，则更新所述动态仿真模型中的网格文件，包括：
若所述几何边界和气动边界发生改变，则重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件，并在所述间断控制点处，采用重新获得的各个离散状态下的可变部件的网格文件替换所述动态仿真模型中的原网格文件。
根据本申请一种实施例，采用三维软件的TurboGrid网格生成模块或者ICEM-CFD网格生成模块，重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件。
根据本申请一种实施例，进行下一个物理时间步长的非定常求解时，将上一个物理时间步长的非定常求解的结果作为初场参数进行下一个物理时间步长的非定常求解，直至动态仿真过程结束。
与现有技术相比，本发明采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：本发明基于现有的三维数值仿真软件，提出一种压气机大级间引气的动态仿真分析方法，获得压气机引气动态过程的性能和流场演化规律，实现了压气机引气动态过程中的瞬态性能预测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明的压气机大级间引气动态仿真分析方法流程示意图；
图2是本发明的压气机大级间引气动态仿真分析方法的一种精确控制实施例的流程示意图；
图3是本发明实施例中引气阀门打开过程引气流道速度分布演化示意图；
图4是本发明实施例中角度改变后1.0ms时刻不同物理时间步长下不同叶高压力分布示意图；
图5是本发明实施例中角度改变后1.0ms时刻不同物理时间步长下不同叶高马赫数分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种压气机大级间引气动态仿真分析方法，包括：
S101.确定压气机引气动态仿真过程中可变部件始末状态的几何边界；
具体实施时，所述模式切换阀门的初始状态为关闭状态；根据压气机工作点特性进行动态仿真初始状态的定常计算，获得主阀门多孔介质模型参数，保持该模型参数不变，逐步增加所述模式切换阀门的流通面积直至引气量达到目标值，得到所述模式切换阀门的最终状态的流通面积Amax；所述可调叶片的初始状态和最终状态的几何边界为给定值，进而获得压气机引气动态仿真过程中可变部件始末状态的几何边界。
S102.根据可变部件的状态要求，采用线性变化对所述可变部件始末状态的几何边界和气动边界进行离散化处理，获得所述可变部件的中间过程的多个离散状态；其中，所述可变部件包括可调叶片和模式切换阀门；
在一种实施方式中，根据可调叶片始末状态的可调角度，设定离散状态的角度变化值；根据所述离散状态的角度变化值，将所述可调叶片的中间变化过程离散为多个几何文件；根据模式切换阀门始末状态的流通面积，设定离散状态的流通面积变化值，根据所述离散状态的流通面积变化值，将所述模式切换阀门的中间变化过程离散为多个气动文件。具体实施时，为刻画动态仿真分析可调叶片和模式切换阀门的中间变化过程，采用线性变化对可变部件始末状态的几何边界进行离散化处理，获得每个中间状态的几何素材。
S103.将所述可变部件的网格生成过程记录为宏文件，根据所述多个离散状态，将所述宏文件中的几何相关属性进行更新，重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件；
具体实施时，基于某三维软件的分网模块对动态仿真分析的可变流体域进行网格重生成，将整个网格生成过程记录为宏文件，然后只需要将该宏文件中的几何相关属性进行替换改写，然后再次运行各个状态的宏文件则可生成不同状态下该可调域新几何下的网格文件，即完成了动态仿真流程中的可变流体域的网格重生成。该过程可采用三维软件的TurboGrid网格生成模块或者ICEM-CFD网格生成模块，重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件。其中，所述几何相关属性包括：几何文件名称、路径以及网格名称。
S104.根据重新获得的各个离散状态下的可变部件的网格文件，构建动态仿真模型；本实施例中的动态仿真模型设置均和常规的非定常模型设置统一。
S105.通过所述动态仿真模型，在初始时刻的几何边界和气动边界下进行第一个物理时间步长的非定常求解，分别判断所述可变部件的几何边界和气动边界是否改变，若所述气动边界发生改变，则对需要改变的气动边界进行重新设置；若所述几何边界发生改变，则更新所述动态仿真模型中的网格文件；如果所述几何边界和气动边界均不改变，则进行下一个物理时间步长的非定常求解。
具体实施时，将所述可调叶片和所述模式切换阀门之间的耦合作动关系定义为线性关系，且各部件的变化动作统一，即各部件的变化同时开始、同时结束；首先采用某全三维软件的Interrupt Contzol coditions（中断控制）模块设置动态求解过程的间断控制点，在进行所述非定常求解的过程中，在所述间断控制点自动判断所述可调叶片的几何边界和所述模式切换阀门的气动边界是否发生改变。若所述可变部件的几何边界和气动边界发生改变，则重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件，并在所述间断控制点处，采用某全三维软件的Configuration（配置）模块，采用重新获得的各个离散状态下的可变部件的网格文件替换所述动态仿真模型中对应的原网格文件。
本发明的动态仿真分析方法是基于某全三维数值分析平台，进行二次开发而形成的适用于几何边界和气动边界随时间改变动态过程仿真的数值方法，并获得压气机引气动态过程的性能和流场演化规律。该方法的关键在于采用用户自定义命令行（User DefinedCommand Line → UDCL）实现“气动边界改变”和“几何边界改变”的精确控制。
如图2所示，本发明实施例的精确控制方案具体如下：
由于动态仿真涉及几何边界或/和气动边界的实时改变，故其考虑的是非定常仿真问题。和常规非定常仿真一样，需要给定仿真起始状态的流体域模型及初场，流体域模型建立方法和常规某全三维数值仿真一样，不做多余赘述。初场一般为初始几何边界和气动边界下的定常或非定常仿真结果，为保证收敛性和动态过程仿真起始时刻的结果精确性，故采用非定常结果作为动态仿真的初场。在进行动态仿真时，首先在初始时刻的几何边界和气动边界下进行第一个物理时间步长的非定常求解。求解完成后，常规非定常仿真会直接进行下一个物理时间步长的求解，而动态仿真将进行一次逻辑判断用于决定是否需要进行几何边界或/和气动边界的改变。如果二者均不需要改变，则进行下一个物理时间步长求解；如果气动边界条件需要改变，则会自动对需要改变的气动边界进行重新设置，然后以前一个物理时间步长的结果作为初场进行下一个物理时间步长的求解；若几何边界需要改变，则首先根据新的几何进行流体域空间离散化，实现网格的重新生成（ReMeshing），然后用新生成的网格替换仿真模型中原有的对应网格，同时再次赋予仿真模型气动边界条件，再以前一个物理时间步长的求解结果作为初场进行下一个物理时间步长的求解。由此在每个物理步顺次进行以上过程，直至整个动态过程结束或仿真终止。
将本发明实施例的动态仿真分析方法应用于某7级轴流式压气机中，共15排叶片，其中叶片S0，叶片S1和叶片S2为可调叶片。在第5级静叶出口冷却引气，引气量为进口流量的2%。在第3级静叶出口，有模式切换放气阀门。该模式切换阀门随工况需求而实现开启或者关闭功能，具体特征为：当飞行马赫数较低时，模式切换阀门关闭，此状态为初始状态。而当飞行马赫数很高时，打开模式切换阀门实现第3级静叶出口放气，此状态为最终状态。本实施例的动态仿真模拟涉及从初始状态到最终状态的动态过程，以及反过来的动态过程。初始状态和最终状态的可调叶片角度和放气量如表1所示。
表1 初始状态和最终状态的可调叶片角度和放气量表
进行几何边界条件设置时：主流道进出口以及模式切换引气流道出口均设置为Opening边界类型，均给定总温288.15K，总压101325Pa以及气流方向为轴向。第5级后引气流道的出口边界也设置为Opening，给定总温和气流速度，湍流模型选择SST两方程模型，所有固壁面均设置为绝热无滑移条件，转静交接面设置为混合平均面（Stage）模型。
其中，涉及到的几何边界随动的可变部件为叶片S0、叶片S1、叶片S2和模式切换阀门。以叶片S0为例，如叶片S0的叶片可调角度由-16.6°变化到0°，该过程线性离散为84个状态，设定离散状态角度变化值为0.2°则每个状态角度转过0.2°。同理将模式切换阀门的流通面积从0~Amax离散成43个状态。接下来进行动态仿真分析流体域空间离散过程和动态仿真模型建立过程。
在某全三维数值仿真平台下，实现各可变部件仿真域之间的耦合联动以及边界条件设置更新均是通过UDCL实现的，具体操作步骤如下：
（1）设置求解过程间断控制点。根据之前的设定，整个模式切换过程分为了84个状态，可知应该在时间步5+4k（k = 0, 1, 2, ... 83）设置间断控制点。
（2）各间断控制点网格替换控制。可知，叶片S0、叶片S1和叶片S2变化过程分成了84个状态，模式切换阀门（MCV）分成了43个状态。因此，在每一个间断控制点，需要更新叶片S0、叶片S1和叶片S2的网格文件，而每两个间断控制点，需要更新模式切换阀门（MCV）的网格文件。
由此，则完成了动态仿真模型的全部建立工作。然后按照常规非定常计算，获得最终计算结果，完成后处理，则可获得压气机引气动态过程的性能和流场演化规律。图3是引气阀门打开过程引气流道速度分布演化图（关闭过程类似），图3中的MCV阀门是指模式切换阀门，Vm是指引气流道速度，单位为m/s；从图3中可以看到引气阀门的几何边界在不断变化，流通面积不断增加，这也直接论证了该数值仿真方法可以实时捕捉并反映几何边界的动态改变，能够真实的反映动态引气过程中的流场演化特征。将动态过程瞬态流场和“准稳态”流场对比，由于该过程几何边界变化在极短的时间内完成，流场响应具有一定的滞后性，故在叶片角度发生改变后会在叶片吸力面出现流动分离，在足够长的时间后，该分离区减小或消失，流体重新贴合叶片。若采用“准稳态仿真”思路，则其流场是已经贴合叶片的情况，无法反映瞬态流场的变化过程，其性能也无法反映流场没有再次达到稳定时的真实特性。图4和图5分别是角度改变后1.0ms时刻不同物理时间步长下不同叶高压力和马赫数分布，其中，图4中的p是指压力，单位为bar，Span是指叶高，TS(Time Step)是指物理时间步长，图5中的是指马赫数，Span是指叶高，TS(Time Step)是指物理时间步长；从图4和图5中可以看出无论是压力还是马赫数，在所研究的三个叶高下，其流场结构和流场细节均高度相似，差别微乎其微。这从流场层面说明了在该物理时刻，不同物理时间步长设置下求解结果均收敛到了真实物理情形，该动态仿真方法具备捕捉瞬态特性的能力。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种压气机大级间引气动态仿真分析方法，其特征在于，包括：
确定压气机引气动态仿真过程中可变部件始末状态的几何边界；
根据可变部件的状态要求，采用线性变化对所述可变部件始末状态的几何边界和气动边界进行离散化处理，获得所述可变部件的中间过程的多个离散状态；其中，所述可变部件包括可调叶片和模式切换阀门；
将所述可变部件的网格生成过程记录为宏文件，根据所述多个离散状态，将所述宏文件中的几何相关属性进行更新，重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件；
根据重新获得的各个离散状态下的可变部件的网格文件，构建动态仿真模型；
通过所述动态仿真模型，在初始时刻的几何边界和气动边界下进行第一个物理时间步长的非定常求解，分别判断所述可变部件的几何边界和气动边界是否改变，若所述气动边界发生改变，则对需要改变的气动边界进行重新设置；若所述几何边界发生改变，则更新所述动态仿真模型中的网格文件；如果所述几何边界和气动边界均不改变，则进行下一个物理时间步长的非定常求解。
2.根据权利要求1所述的压气机大级间引气动态仿真分析方法，其特征在于，确定压气机引气动态仿真过程中可变部件始末状态的几何边界，包括：
所述模式切换阀门的初始状态为关闭状态；根据压气机工作点特性进行动态仿真初始状态的定常计算，获得主阀门多孔介质模型参数，保持该模型参数不变，逐步增加所述模式切换阀门的流通面积直至引气量达到目标值，得到所述模式切换阀门的最终状态的流通面积；
所述可调叶片的初始状态和最终状态的几何边界为给定值。
3.根据权利要求1所述的压气机大级间引气动态仿真分析方法，其特征在于，根据可变部件的状态要求，采用线性变化对所述可变部件始末状态的几何边界和气动边界进行离散化处理，包括：
根据可调叶片始末状态的可调角度，设定离散状态的角度变化值；根据所述离散状态的角度变化值，将所述可调叶片的中间变化过程离散为多个几何文件；
根据模式切换阀门始末状态的流通面积，设定离散状态的流通面积变化值，根据所述离散状态的流通面积变化值，将所述模式切换阀门的中间变化过程离散为多个气动文件。
4.根据权利要求1所述的压气机大级间引气动态仿真分析方法，其特征在于，所述几何相关属性包括：几何文件名称、路径以及网格名称。
5.根据权利要求1所述的压气机大级间引气动态仿真分析方法，其特征在于，通过所述动态仿真模型，在初始时刻的几何边界和气动边界下进行第一个物理时间步长的非定常求解，分别判断所述可变部件的几何边界和气动边界是否改变，包括：
将所述可调叶片和所述模式切换阀门之间的耦合作动关系定义为线性关系，且各部件的变化动作统一；
设置动态求解过程的间断控制点，在进行所述非定常求解的过程中，在所述间断控制点自动判断所述可调叶片的几何边界和所述模式切换阀门的气动边界是否发生改变。
6.根据权利要求5所述的压气机大级间引气动态仿真分析方法，其特征在于，若所述可变部件的几何边界和气动边界发生改变，则更新所述动态仿真模型中的网格文件，包括：
若所述几何边界和气动边界发生改变，则重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件，并在所述间断控制点处，采用重新获得的各个离散状态下的可变部件的网格文件替换所述动态仿真模型中的原网格文件。
7.根据权利要求1所述的压气机大级间引气动态仿真分析方法，其特征在于，采用三维软件的TurboGrid网格生成模块或者ICEM-CFD网格生成模块，重新获得各个离散状态下的可变部件的网格文件。
8.根据权利要求1所述的压气机大级间引气动态仿真分析方法，其特征在于，进行下一个物理时间步长的非定常求解时，将上一个物理时间步长的非定常求解的结果作为初场参数进行下一个物理时间步长的非定常求解，直至动态仿真过程结束。
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