一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法技术

一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法，属于涡轮叶栅边界层稳定性分析及转捩预测技术领域。通过基于γ‑Re

【技术实现步骤摘要】
一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法
本专利技术属于涡轮叶栅边界层稳定性分析及转捩预测
，具体是涉及一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法。
技术介绍
作为航空发动机的核心工作部件，其设计性能的好坏直接决定了发动机工作效率的高低。为了提高发动机效率，满足现代航空发动机的发展需求，目前民用航空发动机不断追求更高的涵道比、进口温度、叶栅载荷及气动效率等，这也要求涡轮需要提供更大的输出功，内部流动也将更加复杂。与此同时，由于涡轮内部流动本质上是非定常的，在高空巡航状态下，涡轮因工况雷诺数低，叶栅吸力面边界层极易产生分离，进而发生转捩以及湍流的二次附着，引起流量损失，严重降低叶栅工作效率。因此，对涡轮叶栅流道CFD仿真计算的相关研究不仅有助于揭示涡轮内部非定常流态及其叶栅边界层转捩机理，提升涡轮运转的稳定性及设计的可靠性，而且对航空航天发动机设计具有良好指导作用。所以如何运用有效的数值方法对涡轮工作准确仿真至关重要。近几十年来，随着计算机性能的不断增进，求解流体动力学相关问题也已经有了长足的进步。目前预测边界层转捩的方法有：基于线性稳定性的e-N方法，大涡模拟LES(LargeEddySimulation)，直接数值模拟DNS(DirectNumericalSimulation)，基于雷诺平均(RANS方程)的转捩模型方法等，其中，e-N方法可以准确描述线性稳定过程。然而,它不能应用于复杂的三维模型且不能与现代CFD(ComputationalFluidDynamics)技术兼容，且e-N方法考虑的是扰动幅值的相对增长，并没有考虑振动幅值的实际大小。DNS可以帮助理解边界层转捩的机制，但它和LES都需要大量的计算资源，因此不适合于工程应用。基于RANS方程的转捩模型的优势在于它在准确性和计算资源之间找到了平衡。自1958年，Dhawan和Narasimha(DhawanS.,NarasimhaR.,Somepropertiesofboundarylayerflowduringthetransitionfromlaminartoturbulentmotion[J].JournalofFluidMechanics,1958,3(04):418)首次提出间歇因子γ的定义后，大量基于间歇因子的转捩模型相继出现。Steelant和Dick(SteelantJ.,DickE.,Modelingoflaminar-turbulenttransitionforhighfreestreamturbulence[J].FluidsEng.2001(123):22–30)在他们提出的相关性的基础上推导出了间歇因子γ的输运方程。2004年，Langtry和Menter(LangtryR.B.,MenterF.R.,Correlation-BasedTransitionModelingforUnstructuredParallelizedComputationalFluidDynamicsCodes[J].AIAAJournal,2009,47(12):2894-2906)提出γ-Reθt转捩模型，将经验公式法与间歇因子方法相结合，通过关于转捩动量厚度雷诺数的经验公式来控制边界层内的增长，进而控制转捩的发生，在通过间歇因子来控制湍流模型在整个模拟过程中的作用。然而，由于涡轮实际工作过程中存在多种转捩扰动因素，对于CFD数值计算结果影响各异，基于γ-Reθt转捩模型的涡轮叶栅流道CFD数值模拟结果容易出现不同程度的误差，需要对该计算方法进行修正，而目前考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法尚未见公开报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供可解决基于γ-Reθt转捩模型的涡轮叶栅流道CFD数值模拟结果出现不同程度误差的问题，实现对涡轮叶栅流道CFD计算准确预测的一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法。本专利技术包括以下步骤：1)基于已公开的实验数据，利用经典算例进行CFD计算，验证原始转捩模型程序2)利用原始转捩模型程序对涡轮模型开展初步CFD计算仿真，提取结果数据，与已公开的涡轮实验数据进行比对；3)根据所考虑的转捩扰动因素特征参数开展相应实验，提取实验结果数据；4)原始γ-Reθt转捩模型由间歇因子γ的输运方程用于触发转捩过程；5)对带有转捩扰动因素的涡轮进行多组CFD计算，建立转捩判据系数与转捩扰动因素的仿真数据库，根据结果对数据库进行迭代修正，进而改进CFD计算方法；6)利用改进的CFD计算方法对考虑扰动因素的涡轮叶栅流道进行CFD仿真，输出仿真结果。在步骤1)中，所述经典算例可采用T3A平板经典算例。在步骤2)中，所述利用原始转捩模型程序对涡轮模型开展初步CFD计算仿真，提取结果数据，与已公开的涡轮实验数据进行比对的具体步骤可为：分析涡轮转捩误差相关原因，提取转捩扰动因素相关特征参数。所述常见的转捩扰动因素包括表面粗糙度、上游尾迹以及横流效应等；所述分析涡轮工作中常见的转捩扰动因素，提取扰动因素特征参数表征为表面粗糙度Ra，上游尾迹wu，横流效应Ce，具体包括粗糙颗粒的长度aR，宽度bR，高度cR，上游尾迹的长度aw，宽度bw，横流效应的来流角θC等。在步骤4)中，所述原始γ-Reθt转捩模型由间歇因子γ的输运方程用于触发转捩过程具体涉及无量纲函数Fonset1、Fonset2、Fonset3，具体步骤如下：其中，为原始γ-Reθt转捩模型作为转捩起始的关键性判据，即当涡量雷诺数Rev增大到大于2.193倍的临界动量厚度雷诺数Reθc，涡轮叶栅边界层发生转捩，在此引入转捩判据系数对涡轮叶栅边界层转捩进行控制。在步骤5)中，所述改进CFD计算方法的具体方法可为：5.1)进行多组CFD计算，利用实验数据与CFD计算结果进行对比，计算实验转捩位置与模型转捩位置的差值。若差值为正，则利用等步长法增大转捩判据系数f，向前搜索逼近试验转捩位置；反之则减少，向后搜索逼近实验转捩位置。若逼近过程中出现差值正负变化，则应细化步长，继续进行逼近，直至结果与实验转捩位置相仿，最终确定转捩判据系数f；5.2)将aR、bR、cR、aw、bw及θC等参数与转捩判据系数f一一对应，建立转捩判据系数f与转捩扰动因素特征参数(Ra、wu、Ce)的仿真数据库；5.3)分析所得仿真数据库，拟合出基于转捩判据的转捩判据系数函数f＝fnew(Ra,wu,Ce)；5.4)针对fnew(Ra,wu,Ce)，修正转捩判据改进涡轮叶栅流道CFD计算方法；5.5)利用改进的CFD计算方法对未用来建立数据库的涡轮叶栅分别进行数值计算，进一步修正步骤5.3)拟合的关系式；5.6)重复进行步骤5.1)～5.5)，对步骤5.2)所建的关于转捩扰动因素的仿真数据库及转捩判据系数进行反复迭代修正，直至改进的CFD计算方法数据与实验数据拟合良好。在步骤6)中，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法，其特征在于包括以下步骤：/n1)基于已公开的实验数据，利用经典算例进行CFD计算，验证原始转捩模型程序/n2)利用原始转捩模型程序对涡轮模型开展初步CFD计算仿真，提取结果数据，与已公开的涡轮实验数据进行比对；/n3)根据所考虑的转捩扰动因素特征参数开展相应实验，提取实验结果数据；/n4)原始γ-Re

【技术特征摘要】
1.一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法，其特征在于包括以下步骤：
1)基于已公开的实验数据，利用经典算例进行CFD计算，验证原始转捩模型程序
2)利用原始转捩模型程序对涡轮模型开展初步CFD计算仿真，提取结果数据，与已公开的涡轮实验数据进行比对；
3)根据所考虑的转捩扰动因素特征参数开展相应实验，提取实验结果数据；
4)原始γ-Reθt转捩模型由间歇因子γ的输运方程用于触发转捩过程；
5)对带有转捩扰动因素的涡轮进行多组CFD计算，建立转捩判据系数与转捩扰动因素的仿真数据库，根据结果对数据库进行迭代修正，进而改进CFD计算方法；
6)利用改进的CFD计算方法对考虑扰动因素的涡轮叶栅流道进行CFD仿真，输出仿真结果。


2.如权利要求1所述一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法，其特征在于在步骤1)中，所述经典算例采用T3A平板经典算例。


3.如权利要求1所述一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法，其特征在于在步骤2)中，所述提取结果数据是分析涡轮转捩误差相关原因，提取转捩扰动因素相关特征参数。


4.如权利要求3所述一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法，其特征在于，所述转捩扰动因素包括表面粗糙度Ra、上游尾迹wu、横流效应Ce。


5.如权利要求3所述一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法，其特征在于，所述转捩扰动因素相关特征参数包括粗糙颗粒的长度aR、宽度bR、高度cR，上游尾迹的长度aw、宽度bw，横流效应的来流角θC。


6.如权利要求1所述一种考虑转捩扰动因素的涡轮叶栅流道CFD计算方法，其特征在于在步骤4)中，所述原始γ-Reθt转捩模型由间歇因子γ的输运方程用于触发转捩过程具体涉及无量纲函数Fonset1、Fonset2、Fonset3，具体步骤如下：









其中，为原始γ-Reθt转捩...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱若凡，周康，鲍越，尤延铖，闫成，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35