一种涡轮叶片壁面导热的计算方法技术

一种涡轮叶片壁面导热的计算方法，涉及航空发动机技术领域，解决现有涡轮叶片外壁面的导热方法计算迭代时间长，导致对评估效率造成影响等问题，本发明专利技术通过叶片型线解析及壁面网格划分和基于张量运算导热迭代计算两个步骤实现，本发明专利技术方法中，通过给定平板内外第三类边界条件分布，使用20万结构网格的平板进行导热算法测试。以平均温度的波动范围作为收敛判据，其叶片平均温度相对Fluent等商业软件计算结果的误差仅需12ms即可收敛到1％以内，运算速度极快。本发明专利技术的导热计算方法最终选取平均温度的波动范围0.005K作为收敛准则。此种情况下，平板导热计算耗时仅为1.58秒，相对Fluent计算精度约为0.65％。计算精度约为0.65％。计算精度约为0.65％。

【技术实现步骤摘要】
一种涡轮叶片壁面导热的计算方法


[0001]本专利技术涉及航空发动机
，具体涉及一种涡轮叶片壁面导热的计算方法。

技术介绍

[0002]在航空发动机涡轮叶片设计过程中，提高涡轮进口燃气温度是改善航空发动机性能的重要途径。而越来越高的涡轮进口温度已经远远超出了涡轮叶片材料的耐温极限，也对涡轮叶片的冷却机构设计提出了更高的要求。在这样的背景下，改进冷却结构设计方法、提高冷却结构设计效率便成为了涡轮叶片设计的关键问题之一。
[0003]在涡轮叶片冷却的传统设计过程中，往往采用一维管网设计方法进行叶片内冷通道的流动换热分析，之后耦合Stan5等外换热二维计算方法，得到涡轮叶片壁面的内外第三类边界条件。最后针对涡轮叶片壁面进行导热计算即可得到涡轮叶片在特定工况条件下的固体域温度场，完成冷却结构设计方案的评估。
[0004]而目前进行涡轮叶片外壁面的导热计算主要依赖商业软件，不方便与内外第三类边条计算结果集成。同时导热计算迭代时间较长，对涡轮叶片冷却结构的评估效率造成了一定的影响。
[0005]为解决上述问题，本专利技术针对涡轮叶片壁面的导热计算设计了一种快速计算方法，在计算精度和计算效率上取得了较好的效果。

技术实现思路

[0006]本专利技术为解决现有涡轮叶片外壁面的导热方法计算迭代时间长，导致对评估效率造成影响等问题，提供一种涡轮叶片壁面导热的计算方法。
[0007]一种涡轮叶片壁面导热的计算方法，该方法由以下步骤实现：
[0008]步骤一、对涡轮叶片外型线解析及对叶片壁面进行网格划分，获得涡轮叶片外壁面的二维结构网格；
[0009]步骤二、读取包含节点信息的正交结构网格，将其转化为原始张量；将所述原始张量进行拓展，获得拓展张量；
[0010]步骤三、将所述拓展张量拆分出若干迭代张量，拆分数量取决于原始张量的维数；分别计算各迭代张量与原始张量的差值，即：获得张量中各个节点与其相邻节点间的差值张量；
[0011]步骤四、根据张量中每个节点的能量守恒定律、傅里叶定律和牛顿冷却公式得到信息张量的更新公式，将各差值张量与原始张量一起代入信息张量的更新公式，获得更新后的原始张量；
[0012]步骤五、选取涡轮叶片外壁面平均温度的波动范围作为收敛准则，将步骤四所述更新后的原始张量得到包含节点信息的正交结构网格更新步骤二读取的包含节点信息的正交结构网格，返回步骤二；直到外壁面平均温度的波动范围小于设定的收敛值，完成涡轮叶片壁面导热计算。
[0013]本专利技术的有益效果：本专利技术方法为精准、高效的固体导热计算方法。具备以下优点：
[0014]一、本专利技术方法中，给定平板内外第三类边界条件分布，使用20万结构网格的平板进行导热算法测试。以平均温度的波动范围作为收敛判据，本专利技术所述导热算法的收敛特性如附图3所示。其叶片平均温度相对ANSYS Fluent等商业软件计算结果的误差仅需12ms，即可收敛到1％以内，运算速度极快。
[0015]二、结合收敛特性曲线，本专利技术的导热计算方法最终选取平均温度的波动范围0.005K作为收敛准则。此种情况下，平板导热计算耗时仅为1.58秒，相对Fluent计算(使用Fluent软件在相同计算资源下进行导热计算需要大约10秒)精度约为0.65％。
附图说明
[0016]图1为本专利技术所述的一种涡轮叶片壁面导热的计算方法中叶片型线解析及壁面网格划分原理框图；
[0017]图2为本专利技术所述的一种涡轮叶片壁面导热的计算方法中单次导热迭代计算的原理框图；
[0018]图3为采用本专利技术所述的一种涡轮叶片壁面导热的计算方法的收敛特性效果图。
具体实施方式
[0019]结合图1至图3说明本实施方式，一种涡轮叶片壁面导热的计算方法，该方法的具体实现过程为：
[0020]一、叶片型线解析及壁面网格划分；如图1所示，具体过程为：
[0021]读取涡轮叶片外型线的散点坐标，使用多项式函数分别拟合涡轮叶片外型的不同区域的曲线，如涡轮叶片压力侧外形线、涡轮叶片吸力侧外形线等；
[0022]然后以拟合函数为基础计算两节沿曲线的距离，并沿曲面划分正交、等距的二维节点网格，将三维坐标压缩到二维平面坐标，同时完整记录二维平面坐标不同位置的叶型曲率和压缩过程映射关系，在需要时将二维平面坐标逆解析为三维坐标。
[0023]通过函数拟合的方式建立二维平面坐标与内外第三类边界条件的映射关系，将三维坐标下特定位置的几何信息(节点相对位置等)和边界条件信息(温度T，压力P，热流密度q等)储存到与该三维坐标对应的二维节点中。
[0024]二、基于张量运算导热迭代计算，如图2所示。
[0025]首先读取一张包含节点信息的正交结构网格，将其转化为原始张量。
[0026]然后拓展所述原始张量，复制所述原始张量的边界节点并将其拼接到原始张量上，拓展后张量边角点使用0进行填充。
[0027]三、将所述拓展张量拆分出若干迭代张量，拆分数量取决于原始张量的维数；分别计算各迭代张量与原始张量的差值，即可得到张量中各个节点与其相邻节点间的差值张量；
[0028]四、根据张量中每个节点的能量守恒定律、傅里叶定律和牛顿冷却公式得到信息张量的更新公式，将各差值张量与原始张量一起代入信息张量的更新公式，获得更新后的原始张量。
[0029]本实施方式中，对于双层壁涡轮叶片外壁面这类薄壁导热问题，可以将给定内外第三类边条的导热计算看作“准二维”导热问题。对于叶片几何及外流道数据解析模块构造的二维节点信息网格，当导热计算达到稳态时每个节点流入流出的热量之和均等于0，即：
[0030][0031]其中，T
m
，h
m
，T
c
，h
c
为所述导热计算方法的输入条件，代表了涡轮叶片外壁面的内外第三类边界条件：T
m
为涡轮叶片壁面外表面主流燃气温度；T
c
为涡轮叶片壁面内表面的冷气温度；h
c
和h
m
分别为涡轮叶片壁面内外表面的对流换热系数。λ为固体材料的导热系数，T为本节点温度值，ΔT和Δd分别为本节点与其相邻节点温度差和几何间距。
[0032]其中内外第三类边条已知，节点与相邻位置的导热信息由差值张量构造。将上述公式拓展成张量形式并适量化简，得到信息张量的迭代公式：
[0033][0034]其中，T
i+1
为更新后的温度场，和分别为迭代张量中温度维和节点间距维，H
m
,T
m
,H
c
,T
c
为叶片壁面内外第三类边条的分布场。
[0035]五、选取涡轮叶片外壁面平均温度的波动范围(0.005K)作为收敛准则，将步骤四所述更新后的原始张量得到包含节点信息的正交结构网格更新步骤二读取的包含节点信息的正交结构网格，重复步骤二～四，直到外壁面平均温度的波本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片壁面导热的计算方法，其特征是：该方法由以下步骤实现：步骤一、对涡轮叶片外型线解析及对叶片壁面进行网格划分，获得涡轮叶片外壁面的二维结构网格；步骤二、读取包含节点信息的正交结构网格，将其转化为原始张量；将所述原始张量进行拓展，获得拓展张量；步骤三、将所述拓展张量拆分出若干迭代张量，拆分数量取决于原始张量的维数；分别计算各迭代张量与原始张量的差值，即：获得张量中各个节点与其相邻节点间的差值张量；步骤四、根据张量中每个节点的能量守恒定律、傅里叶定律和牛顿冷却公式得到信息张量的更新公式，将各差值张量与原始张量一起代入信息张量的更新公式，获得更新后的原始张量；步骤五、选取涡轮叶片外壁面平均温度的波动范围作为收敛准则，将步骤四所述更新后的原始张量得到包含节点信息的正交结构网格更新步骤二读取的包含节点信息的正交结构网格，返回步骤二；直到外壁面平均温度的波动范围小于设定的收敛值，完成涡轮叶片壁面导热计算。2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片壁面导热的计算方法，其特征在于：步骤一的具体过程为：步骤一一、读取所述涡轮叶片外型线的散点坐标，采用多项式函数分别拟合涡轮叶片外型的不同区域的曲线；步骤一二、以函数拟合为基础计算两节点沿所述曲线的距离，并沿曲面划分正交、等距的二维节点网格，将三维曲面坐标转换为二维平面坐标，同时完整记录二维节点坐标不同位置的叶型曲率和转换过程映射关系，并将二维节点坐标逆解析为三维坐标；步骤一三、通过函数拟合的方式建立二维平面坐标与内外第三类边界条件的映射关系，将三维坐标下位置的几何信息和边界条件信息储存到与该三维...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚广宇，朱剑琴，邱璐，程泽源，童自翔，李地科，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：