一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法技术

一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法，它涉及一种建模方法，它包括(1)、几何模型前处理：对汽轮机叶片通流中的数据进行几何建模参数识别，编程处理，进行几何模型识别和拓扑分区，网格划分；(2)、计算模型前处理：利用软件，建立相应的计算区域，给定计算需要的工质，模型设置和参数设置，给定数值计算的求解设置，从而完成方程组的建立；(3)、数值计算：利用求解器进行求解，在满足指定的计算残差要求后停止计算；(4)、后处理：对前述计算结果进行处理，得到整个计算过程各变量的数据，通过云图和数据曲线图，对汽轮机叶片通流进行分析。本发明专利技术能够有效降低叶片通流吹风试验的规模，有效推进汽轮机叶片通流的分析和设计。

A flow modeling method of turbine blades based on CFD

A flow modeling method of turbine blade based on CFD, which relates to a modeling method, including (1) preprocessing of geometric model: identifying geometric modeling parameters, programming processing, geometric model identification, topological division and grid division for the data in the flow of turbine blade; (2) preprocessing of calculation model: using software to establish corresponding calculation area and give calculation The working medium, model setting and parameter setting required by the calculation, and the solution setting of the numerical calculation are given to complete the establishment of the equation group; (3) numerical calculation: use the solver to solve, and stop the calculation after meeting the requirements of the specified calculation residual; (4) post processing: process the above-mentioned calculation results, and obtain the data of each variable in the whole calculation process through the cloud chart and data curve The flow path of turbine blade is analyzed by line diagram. The invention can effectively reduce the scale of blade flow blowing test and effectively promote the analysis and design of turbine blade flow.

【技术实现步骤摘要】
一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法
本专利技术涉及一种建模方法，特别涉及一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法。
技术介绍
汽轮机行业对产品的经济性提出了更高的要求。汽轮机通流的经济性是整个汽轮机系统经济性的主体，对其进行提升，是提升汽轮机整体经济性的关键。而汽轮机叶片通流对汽轮机的性能起着重要影响，叶片对机组负荷的敏感度高，导致电厂低负荷运行时的机组效率低，因此，需要开发、设计、优化汽轮机叶片，以改善叶片通流的适应性，改善汽轮机叶片通流对机组变负荷特别是低负荷下工况的适应性，对电厂整体效益的提升意义重大。另外，以往的汽轮机叶片通流设计和优化，主要依靠透平机械原理的理论和吹风试验来进行，涉及的试验周期比较长，试验费用也比较昂贵。
技术实现思路
本专利技术是为克服现有技术的不足，提供一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法，该方法能够有效降低叶片通流吹风试验的规模，降低相应的试验成本，有效推进汽轮机叶片通流的分析和设计。一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法，它包括：(1)、几何模型前处理对汽轮机叶片通流中的数据进行几何建模参数识别，编程处理，进行几何模型识别和拓扑分区，网格划分，检查网格的质量；(2)、计算模型前处理利用软件，建立相应的计算区域，给定计算需要的工质，模型设置和参数设置，给定数值计算的求解设置，从而完成方程组的建立；(3)、数值计算利用软件自带的求解器进行求解，在满足指定的计算残差要求后停止计算；(4)、后处理利用CFD-POST对前述计算结果进行处理，得到整个计算过程各变量的数据，通过云图和数据曲线图，对汽轮机叶片通流气动性能进行分析。本专利技术与现有技术相比具有以下效果：降低成本，以往的汽轮机叶片通流设计和优化，主要依靠透平机械原理的理论和吹风试验来进行，涉及的试验周期比较长，试验费用比较昂贵。CFD计算可以大幅降低试验的规模，从而降低试验费用，降低成本。提高效率，随着大型计算机的迅猛发展，目前企业可用的计算机的计算能力相当惊人。工程师可以在较短的时间内设计多个方案，并通过CFD计算分析，选出最佳设计。辅助试验，有些汽轮机叶片通流，可能由于自身试验设备等限制，不能进行试验研究，如：整个高压缸通流的试验。CFD计算可以弥补试验在这一方面的不足，为汽轮机叶片通流设计和优化提供又一重要工具。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步地说明：附图说明图1为本专利技术基于CFD的建模流程图；图2为实施例中一个汽轮机机组中压级通流图；图3为所述汽轮机机组动叶几何参数图；图4为导入Turbogrid典型级动叶的几何模型图；图5为网格单元的扭曲率和纵横比关系图；图6为中压典型级动叶网格示意图；图7为CFX软件中湍流模型和壁面模型设置的界面图；图8为CFX软件的进出口边界条件设置的界面图；图9为CFX软件中计算迭代步数及迭代残差设置的界面图；图10为叶片S1流面马赫数分布云图；图11为10％叶高下的叶型损失随攻角的变化图；图12为50％叶高下的叶型损失随攻角的变化图；图13为90％叶高下的叶型损失随攻角的变化图；图14为10％叶高下的动叶节距平均落后角随攻角的变化；图15为50％叶高下的动叶节距平均落后角随攻角的变化；图16为90％叶高下的动叶节距平均落后角随攻角的变化。具体实施方式参见图1所示，一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法，它包括：(1)、几何模型前处理对汽轮机叶片通流中的数据进行几何建模参数识别，编程处理，进行几何模型识别和拓扑分区，网格划分，检查网格的质量；将汽轮机叶片通流数据通过编程处理为Turbogrid软件可识别的文件，将文件导入Turbogrid软件，进行拓扑分区，按照实际叶片的形式，利用Turbogrid软件对几何模型进行网格划分；(2)、计算模型前处理利用ANSYSCFX软件，建立相应的计算区域，给定CFD计算需要的工质，模型设置和参数设置，给定数值计算的求解设置，从而完成N-S方程组的建立；(3)、数值计算利用ANSYSCFX自带的Solver求解器进行求解，在满足指定的计算残差要求后停止计算；(4)、后处理利用CFD-POST对前述计算结果进行处理，得到整个计算过程各变量的数据，通过云图和数据曲线图，对汽轮机叶片通流气动性能进行分析。参见图1，利用CFD进行汽轮机叶片通流的建模的整个流程包括四个部分：几何前处理，CFD计算模型前处理，CFD数值计算，CFD后处理。几何前处理是将汽轮机叶片通流中的数据(如叶片高度，叶片平均直径和根部、顶部扩张角，以及叶片弯扭掠等特征)，通过编程处理的方式，将其转变为Turbogrid软件可以识别的文件(典型的文件为Hub.curve、Blade.curve和Shroud.curve)。将文件导入Turbogrid，进行拓扑分区，按照实际叶片的形式，进行细致的网格划分，从扭曲率和纵横比项目检查网格的质量。计算模型前处理是建立相应的计算区域，给定CFD计算需要的工质，设置湍流模型、相应的计算边界条件和对应的初始条件，给定数值计算的求解设置，从而完成N-S方程组的建立。CFD数值计算主要是利用ANSYSCFX自带的Solver求解器进行求解。在求解的过程中可以全程监视目标变量，并可根据成本效益原则，在满足指定的计算残差(一般为10-5)要求后停止计算。是针对前述CFD计算的结果进行的。经过上述CFD计算，工程人员得到整个计算过程各变量的数据(如压力、温度、焓、熵等)。工程人员通过云图和数据曲线图等形式，对汽轮机叶片通流进行详细的分析(包括S1流面、S2流面等流场细节)，提出优化策略和方案。参见图2、图3和图4所示，本专利技术以某型汽轮机中压通流典型级为例。具体的叶片型线和尺寸完全按照通流给定。对于通流的参数(如叶片高度、叶片平均直径等)，通过编程的方法，将其转变成Turbogrid可以识别的几何模型。为了保证计算的收敛性，对叶片通流的进口和出口均进行适当延长。对于导入的几何模型进行拓扑分区，对于流场参数变化较大的区域(如靠近叶片进、出气边和内弧、背弧区域)给定较小尺寸的网格，以满足湍流模型对壁面Y+的要求。从壁面向外，逐渐增加网格的尺寸。参见图5和图6所示，检查Turbogrid生成网格的质量。判断网格的质量主要有两个标准：第一是扭曲率，第二是网格单元的纵横比。由于所研究的叶片有比较典型的结构特征，采用的均为结构化网格，扭曲率较小。网格单元的纵横比也会对计算造成影响，网格单元最大的纵横比不超过100，以有效满足CFD计算的要求。参见图7、图8和图9所示，将Turbogrid生成的网格文件导入CFX软件中，进行CFD计算前处理。为了真实反映汽轮机通流内流场的状态，本实施例在模型设置中选择湍流模型和壁面模型。对于汽轮本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法，其特征在于：它包括：/n(1)、几何模型前处理/n对汽轮机叶片通流中的数据进行几何建模参数识别，编程处理，进行几何模型识别和拓扑分区，网格划分，检查网格的质量；/n(2)、计算模型前处理/n利用软件，建立相应的计算区域，给定计算需要的工质，模型设置和参数设置，给定数值计算的求解设置，从而完成方程组的建立；/n(3)、数值计算/n利用软件自带的求解器进行求解，在满足指定的实际残差要求后停止计算；/n(4)、后处理/n利用CFD-POST对前述计算结果进行处理，得到整个计算过程各变量的数据，通过云图和数据曲线图，对汽轮机叶片通流进行分析。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法，其特征在于：它包括：
(1)、几何模型前处理
对汽轮机叶片通流中的数据进行几何建模参数识别，编程处理，进行几何模型识别和拓扑分区，网格划分，检查网格的质量；
(2)、计算模型前处理
利用软件，建立相应的计算区域，给定计算需要的工质，模型设置和参数设置，给定数值计算的求解设置，从而完成方程组的建立；
(3)、数值计算
利用软件自带的求解器进行求解，在满足指定的实际残差要求后停止计算；
(4)、后处理
利用CFD-POST对前述计算结果进行处理，得到整个计算过程各变量的数据，通过云图和数据曲线图，对汽轮机叶片通流进行分析。


2.根据权利要求1所述一种基于CFD的汽轮机叶片通流建模方法，其特征在于：步骤(1)中所述文件识别方式为：将汽轮机叶片通流数据通过编程处理为Turbogrid软件可识别的文件，将文件导入Turbogrid软件，进行拓扑分区，按照实际叶片的形式，利用Turbogrid软件对几何模型进行网格划分。


3.根据权利要求2所述一种基于CFD的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王健，马义良，梁天赋，赵洪羽，马天吟，刘瑶，关淳，张宇，盛显伟，朱晓明，
申请(专利权)人：哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，
类型：发明
国别省市：黑龙;23