本发明专利技术公开了一种涡轮叶片相变发汗冷却耦合分析方法，包括以下两个方面：对多孔介质相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算，提高相变发散冷却的数值仿真收敛性；基于可调晶格单元的参数化多孔介质结构生成方法，获取对应要求孔隙率的多孔介质。本发明专利技术有效提高了对多孔介质相变发汗冷却研究的计算效率。同时，通过对不同晶格单元的结构设计及优化可以获取对应要求孔隙率的多孔介质。本发明专利技术在冷却结构的优化设计及冷却性能的改善方面具有重要意义，为多孔介质发汗冷却规律研究提供了技术保证。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于叶片冷却结构，具体涉及一种涡轮叶片相变发汗冷却耦合分析方法。
技术介绍
1、现代先进燃气轮机对功率和效率要求的进一步提升，使得涡轮进口温度逐渐提高，热环境更加恶劣，因此高性能的涡轮冷却技术亟待发展。气膜冷却、发汗冷却、热隔热层是涡轮叶片外部冷却的主要方式。其中，发汗冷却作为未来先进燃气轮机采用的更为有效的主动热防护冷却方式，结合气膜冷却方式的优点和多孔介质材料特性，均匀分散冷却流体出流，有利于实现大面积且可重复使用的热防护，并将承热部分的冷却结构和承力结构分开，承受一定力量冲击。而相变发汗冷却是指冷却剂在流经多孔介质时发生了吸热相变过程。多孔介质的平均颗粒直径、颗粒结构、孔隙比等因素是影响相变发汗冷却的主要因素。为了提高多孔介质相变发汗冷却的冷却性能，近年来国内外学者采用了实验测量和数值计算的方法对多孔介质发散冷却的开展了一些列的研究。
2、在进行数值仿真过程中，由于相变涉及到多相流和物质相变过程，其交界面存在极大的温度差和密度差。导致这种交界面附近流动区域通常为复杂的流动结构，流动不稳定性强，从而使得收敛困难。同时，由于多孔介质的设定，在相变时会产生的巨大温度梯度也会引起流动的不稳定性，进而影响收敛性。另外，边界条件的不当设置也会可能导致难以收敛。特别是在相变界面附近的边界条件可能需要特殊处理，以捕捉相变过程中的瞬态行为，综上可知在对多孔介质发散冷却的数值仿真研究中，存在着多种难以收敛的问题。因此，针对多孔介质相变发汗冷却的数值仿真研究，亟待一种收敛性强的、准确的、高效的设置方法。
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p>技术实现思路1、为了克服对多孔介质发散冷却的数值仿真研究时数值仿真难以收敛的问题，针对ansys fluent软件中这一数值计算方法设置的缺陷，本专利技术的目的是提供一种涡轮叶片相变发汗冷却耦合分析方法，有效提高了对多孔介质相变发汗冷却研究的计算效率；同时，通过对不同晶格单元的结构设计及优化可以获取对应要求孔隙率的多孔介质，在冷却结构的优化设计及冷却性能的改善方面具有重要意义，为多孔介质发汗冷却规律研究提供了技术保证。
2、本专利技术的目的是采用下述技术方案实现的：
3、一种涡轮叶片相变发汗冷却耦合分析方法，其特征在于，包括以下两个方面：对多孔介质相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算，提高相变发散冷却的数值仿真收敛性；基于可调晶格单元的参数化多孔介质结构生成方法，获取对应要求孔隙率的多孔介质。
4、一种涡轮叶片相变发汗冷却耦合分析方法中，对多孔介质相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算，包括以下步骤：
5、步骤一：模型建立，明确多孔介质相变发散冷却研究中的多孔介质区域、冷却工质计算域几何特征，生成相应网格文件后导入ansys fluent。为兼顾计算精度和计算量，将多孔介质相变分成两部分分别计算。第一部分为主流计算域数值模拟，根据已知的及出口边界计算得到多孔介质表面的换热量；第二部分为多孔介质和冷却工质计算域数值模拟，根据多孔介质表面的换热量以及冷却水量计算得到冷却介质相变过程。
6、步骤二：工质的设置，考虑到多孔介质发汗冷却中涉及的不同工质，在ansysflunet中fluent database中添加三种工质，分别为理想气体(air)、液态水(water-liquid)和水蒸气(water-vapor)，并根据研究需求设计对应的物性参数。
7、步骤三：多相流设置，关于模型的选择尽可能采用volume offluid模型和稳定性更好的mixture模型；并在多相流设置中添加上述步骤二中的三种工质；设置液态水(water-liquid)和水蒸气(water-vapor)的相变，其中相变温度根据压力与沸点的关系查表获取。
8、步骤四：多孔介质域的设置，采用常规的k-ωsst湍流模型，对于网格质量高的计算可以选择三方程以上的湍流模型。勾选porous zone设置，根据研究需要的材料参数，设置孔隙率porosity及多孔介质材料。在多孔介质子选项中，分别设置多孔介质内air，water-liquid，water-vapor三种工质的参数，主要为viscous resistance和inertialresistance，根据参考文献中试验用多孔介质的物性参数计算得到。对于三种工质以上两个参数的值基本在同一量级。
9、步骤五：计算设置，采用couple算法，收敛较快，若高阶差分格式无法收敛，考虑切换成一阶迎风格式计算初场稳定后再切换成高阶格式，尤其是能量方程不容易收敛。勾选pseudo transient选项，该功能提高计算稳定性，不容易发散，但是收敛慢，相比于设定库郎数方法需要更多的time step才能收敛。
10、步骤六：控制设置，control选项卡内的参数默认即可，若计算容易发散，可以调低湍流、能量的factor数值。设置limit限制器内的压力温度的上下限，根据边界条件给定数值，提高计算稳定性。设置time scale factor参数，默认值1可以保证大多数的计算算例收敛，在不发散条件下适当调大该参数，加快收敛速度，同时注意监控温度场和压力场是否出现非物理解。
11、步骤七：边界及监控设置，由于多孔介质相变分成两部分分别计算。根据已知的及出口边界计算得到多孔介质表面的换热量在添加时，fluent的出口边界无法添加热量，只能以源项方式添加体积源项。计算过程中监控water-vapor的分布情况，由于相变的非定常特性较强，可以通过监控多孔介质表面的温度变化作为是否收敛的标准。
12、基于可调晶格单元的参数化多孔介质结构生成方法，包括以下步骤：
13、步骤一：网格区域和实体区域分别建模，通过使用magics软件中自带的结构设计模块按照需求对单个晶格单元进行整体尺寸比例缩放及局部尺寸的调整，获得所需孔隙率的多孔介质晶格单元。
14、步骤二：通过选择模块中特定设计的指定孔隙率的多孔介质晶格单元根据尺寸等参数在空间阵列生长出多孔体积。
15、步骤三：通过与设计空间布尔运算求交集获取多孔区域的设计，将多孔部分与实体部分利用布尔运算求并集获得需要打印的模型。
16、步骤四：计算过程中可能生成大量破碎曲面片，破损的曲面片在切片时由于某层不会闭合会导致切片失败，需要使用magics软件中的修复功能修复破损曲面片，使设计模型完全闭合。
17、这样划分网格的优点是计算相对简便，对于计算机计算要求较低。
18、本专利技术中，耦合分析方法体现的是先主流计算，得到多孔介质的热边界条件，然后将热边界条件赋在多孔介质的流体域和固体域上，不考虑主流，进行第二次计算，最终得到多孔介质内的相变特性、多孔介质燃气侧表面的冷效分布。
19、本专利技术的有益效果是：
20、提高了了相变发散冷却的数值仿真研究的收敛性，大大增大了相变发散冷却研究的研究效率。同时基于可调晶格单元的参数化多孔介质结构生成方法，实现了计算的相对便捷、对计算机的要求降低，最重要本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种涡轮叶片相变发汗冷却耦合分析方法，其特征在于，包括以下两个方面：对多孔介质相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算，提高相变发散冷却的数值仿真收敛性；基于可调晶格单元的参数化多孔介质结构生成方法，获取对应要求孔隙率的多孔介质。
2.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片相变发汗冷却耦合分析方法，其特征在于：针对多孔介质相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的一种涡轮叶片相变发汗冷却耦合分析方法，其特征在于：基于可调晶格单元的参数化多孔介质结构生成方法，包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种涡轮叶片相变发汗冷却耦合分析方法，其特征在于，包括以下两个方面：对多孔介质相变发汗冷却的高鲁棒性数值计算，提高相变发散冷却的数值仿真收敛性；基于可调晶格单元的参数化多孔介质结构生成方法，获取对应要求孔隙率的多孔介质。
2.根据权利要求1所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：王龙飞，吕城亮，毛军逵，刘一鸣，张德伟，刘昕梓，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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