定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法和系统，定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法包括：采用一级网格对计算域进行剖分；其中，计算域包括常规计算区域和优化计算区域；在所述计算域的优化计算区域，将一级网格合并为二级网格；在所述常规计算区域和优化计算区域的边界区域，采用双重网格对跨边界量进行处理。本发明专利技术解决以往非均匀有限差分过程中网格形貌不均匀，细化网格影响大网格尺寸形貌，以及网格优化情况不佳的问题；可以实现多级非均匀网格划分，以进一步减少网格数，降低内存占用，提高计算效率。提高计算效率。提高计算效率。

【技术实现步骤摘要】
定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法和系统


[0001]本专利技术属于材料加工
，特别涉及定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法和系统。

技术介绍

[0002]随着现代航空发动机及重型燃气轮机不断发展，高压涡轮叶片要具有更高的承温能力，这对叶片的材料、结构等提出了更高的要求。为保证叶片良好的组织与性能，涡轮叶片需要采用定向凝固铸造工艺生产，在此过程中极易产生各种缺陷。采用计算机数值模拟的方法，针对重型燃气轮机叶片定向凝固过程开展模拟仿真研究，可以揭示定向凝固叶片组织缺陷形成机理，指导高质量、微缺陷叶片的制备。
[0003]随着叶片内部结构日趋复杂，为保证模拟精度，需要采用较小的网格尺寸对铸件/铸型系统进行网格剖分。而为了保证铸件的完整充型，浇注系统通常需要较大的截面，导致大部分铸件单元都位于粗大的浇注系统部分。这不仅增大了内存消耗，极大地降低了计算的速度，而且对模拟精度并没有实质性的提高。因此，对于拥有复杂内腔结构的重型燃气轮机叶片的定向凝固过程模拟仿真，可以采用非均匀有限差分网格以减少网格数量，提高模拟计算速度。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法，其特征在于，包括以下步骤：采用一级网格对计算域进行剖分；其中，计算域包括常规计算区域和优化计算区域；在所述计算域的优化计算区域，将一级网格合并为二级网格；在所述常规计算区域和优化计算区域的边界区域，采用双重网格对跨边界量进行处理。2.根据权利要求1所述的定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法，其特征在于，所述一级网格和二级网格均为正六面体网格。3.根据权利要求1或2所述的定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法，其特征在于，所述二级网格由多个一级网格合并得到，二级网格的尺寸大于一级网格。4.根据权利要求3所述的定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法，其特征在于，所述在所述常规计算区域和优化计算区域的边界区域，采用双重网格对跨边界量进行处理的具体步骤如下：在常规计算区域和优化计算区域的边界区域，将常规计算区域边界处的多个一级网格单位层作为常规计算区域边界，将优化计算区域边界处的一个二级网格单位层作为优化计算区域边界；其中，常规计算区域边界与优化计算区域边界尺寸相同；常规计算区域边界中的一级网格向优化计算区域扩展设定距离作为一级网格扩展区域，优化计算区域边界中的二级网格向常规计算区域扩展设定距离作为二级网格扩展区域；优化计算区域内的二级网格的模拟仿真数据从常规计算区域边界处的二级网格扩展区域内的二级网格读取，二级网格扩展区域内二级网格的模拟仿真数据由常规计算区域边界内一级网格处获取；常规计算区域内的一级网格的模拟仿真数据由优化计算区域边界处的一级网格扩展区域内的一级网格读取，一级网格扩展区域内一级网格的模拟仿真数据由优化计算区域内二级网格处获取。5.根据权利要求4所述的定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法，其特征在于，所述模拟仿真数据包括以下物理量：速度在x方向上的分量u、速度在y方向上的分量v、单元压力p和温度T。6.根据权利要求5所述的定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法，其特征在于，所述二级网格扩展区域内二级网格的模拟仿真数据通过以下公式获得：所述速度在x方向上的分量u通过以下公式确定：其中，下标首位的B表示二级网格中的物理量，S表示一级网格中的物理量；下标的二维坐标中，(i,j)为常规计算区域边界中，组成二级网格扩展区域的多个一级网格中左下方的一级网格中心点O的坐标；为常规计算区域边界的二级网格扩展区域中(i+3/2,j+1/2)位置的速度在x方向上的分量；为常规计算区域边界中一级网格的(i+3/2,j)位置的速度在x方向上的分量；为常规计算区域边界中一级网格的(i+3/2,j+1)位置的速度在x方向上的分量；
所述速度在y方向上的分量v通过以下公式确定：其中，为常规计算区域边界的二级网格扩展区域中(i+1/2,j
‑
1/2)位置的速度在y方向上的分量；为常规计算区域边界中一级网格的(i,j
‑
1/2)位置的速度在y方向上的分量；为常规计算区域边界中一级网格的(i+1,j
‑
1/2)位置的速度在y方向上的分量；所述单元压力p通过以下公式确定：其中，为常规计算区域边界的二级网格扩展区域中(i+1/2，j+1/2)位置的单元压力；p
S，i，j
为常规计算区域边界中一级网格的(i，j)位置的单元压力；p
S，i+1，j
为常规计算区域边界中一级网格的(i+1，j)位置的单元压力；p
S，i，j+1
为常规计算区域边界中一级网格的(i，j+1)位置的单元压力；p
S，i+1，j+1
为常规计算区域边界中一级网格的(i+1，j+1)位置的单元压力；所述温度T通过以下公式确定：其中，为常规计算区域边界的二级网格扩展区域中(i+1/2，j+1/2)位置的温度；T
S，i，j
为常规计算区域边界中一级网格的(i，j)位置的温度；T
S，i+1，j
为常规计算区域边界中一级网格的(i+1，j)位置的温度；T
S，i，j+1
为常规计算区域边界中一级网格的(i，j+1)位置的温度；T
S，i+1，j+1
为常规计算区域边界中一级网格的(i+1，j+1)位置的温度。7.根据权利要求5或6所述的定向凝固过程非均匀有限差分模拟仿真优化方法，其特征在于，所述优化计算区域边界处的一级网格扩展区域内的一级网格模拟仿真数据通过以下公式获得：公式获得：公式获得：其中，W代表物理量u，v，p，T，Δx，Δy为一级网格物理量到二级网格物理量的相对位置；为优化计算区域边界内二级网格中(i+5/2，j+1/2)位置物理量对x的偏导；
为优化计算区域边界内二级网格中(i+7/2，j+1/2)位置物理量值；为优化计算区域边界内二级网格中(i+3/2，j+1/2)位置物理量值；为优化计算区域边界内二级网格中(i+5/2，j+1/2)位置物理量对y的偏导；为优化计算区域边界内二级网格中(i+5/2，j+3/2)位置物理量值；为优化计算区域边界内二级网格中(i+5/2，j
‑
1/2)位置物理量值；若所述一级网格速度量处于二级网格的内部而非边界时，需要进一步通过以下公式确定u
B
、v
B
：：其中，为优化计算区域边界二级网格中(i+5/2，j+1/2)位置的速度在x方向上的分量；为优化计算区域边界二级网格中(i+3/2，j+1/2)位置的速度在x方向上的分量；为优化计算区域边界二级网格中(i+7/2，j+1/2)位置的速度在x方向上的分量；为优化计算区域边界二级网格中(i+5/2，j+1/2)位置的速度在y方向上的分量；为优化计算区域边界二级网格中(i+5/2，j
...

【专利技术属性】
技术研发人员：许庆彦，孙嘉言，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：