【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于工程热物理，特别涉及一种基于fluent udf的cmc材料涡轮叶片各向异性热分析方法。
技术介绍
1、随着航空发动机技术的不断发展，发动机各项性能指标不断提高，导致航空发动机对材料的要求也越来越高。特别是发动机推重比的提升，使得涡轮进口燃气温度越来越高。现代航空发动机燃烧室温度高达2200k，这已经远远超出了金属材料涡轮叶片的耐热极限。因此具备良好耐高温能力和力学性能的陶瓷基复合材料(ceramic matrix composite,简称cmc材料)成为了最有前景的研究方向之一。
2、cmc材料在陶瓷基体中加入了纤维增强相，使得其在原有密度小、耐高温性能的基础上强度与韧性也得到了极大的提高。但由于材料非均质结构的特性使得其宏观导热系数呈现明显的各向异性特征，并且根据编织方式的不同，材料导热系数的方向还会随着叶片形状的变化而发生变化。这为cmc涡轮叶片开展流动换热分析时，如何考虑并引入cmc材料导热各向异性特征随叶片型面的变化，带来了技术难题。因此需要针对cmc材料涡轮叶片的导热各向异性特征，建立一种适用于cmc涡轮叶片流动换热分析方法。
技术实现思路
1、本专利技术针对因编织cmc材料导热系数各向异性，且具有导热系数方向随叶形变化导致在对该编织cmc材料涡轮叶片进行流动换热仿真计算时出现的材料属性设置困难，且精度不够的问题提供一种解决办法。通过fluent udf实现材料导热系数各向异性且随叶形变化的材料属性设置方法。
2、为实现上述目的，本
3、一种基于fluent udf的cmc材料涡轮叶片各向异性热分析方法，包括以下步骤：
4、步骤一：构建cmc涡轮叶片模型，设所述cmc涡轮叶片模型在fluent环境中的绝对坐标系为主坐标系；设cmc涡轮叶片的外表面法线方向为x轴，叶高方向为z轴得到的坐标系为计算坐标系；根据cmc涡轮叶片三条外型线的三维坐标点数据，取距离被计算三维坐标点最近的两个三维坐标点数据，计算两个三维坐标点的连线斜率再取arctan的方法得到三条外型线中每个三维坐标点相对于主坐标系下的偏转角；
5、步骤二：利用步骤一中得到的偏转角计算外型线每个三维坐标点在计算坐标系下三个方向的基矢量，定义外型线每个三维坐标点计算坐标系下导热系数矩阵和主坐标系下导热系数矩阵之间的转换关系式；
6、步骤三：根据给定的计算坐标系下cmc材料宏观等效各向异性导热系数条件，通过步骤2中的转化关系式，得到cmc涡轮叶片外型线每个坐标点在主坐标系下的导热系数矩阵；
7、步骤四：计算cmc涡轮叶片模型每个网格单元到三条外型线所有三维坐标点之间的距离，将距离该网格单元最近的外型线三维坐标点的导热系数矩阵赋值给该网格单元，完成叶片各向异性导热系数随叶形变化的设置。
8、优选的，所述步骤1中通过在cmc涡轮叶片外型线上等距取三维坐标点的方法获取每条外型线的三维坐标点数据，并将每条外型线的三维坐标点数据单独储存在一个txt文件中，且对每条外型线取的三维坐标点应不少于200个，三维坐标点之间禁止重复选取。
9、优选的，所述步骤1中计算两个三维坐标点的连线斜率再取arctan的方法得到三条外型线中每个三维坐标点相对于主坐标系下的偏转角，每个外型线三维坐标点主坐标系下的导热系数矩阵和计算坐标系与主坐标导热系数矩阵关系矩阵是由步骤1中的偏转角所决定。
10、优选的，步骤二中计算坐标系下导热系数矩阵与主坐标系下导热系数矩阵转换公式为：
11、b＝p-1ap
12、其中b为主坐标系下导热系数矩阵，a为计算坐标系下导热系数矩阵，p为主坐标系和计算坐标系之间的过度矩阵：
13、假设全局坐标系是由局部坐标系绕x轴旋转角度α，再绕y轴旋转角度β，最后绕z轴旋转角度γ得到，则有过度矩阵p为：
14、
15、其中旋转角度γ即为步骤一计算所得的偏转角，通过偏转角获取旋转角度α以及旋转角度β。
16、优选的，所述步骤4中，cmc叶片模型每个网格单元的导热系数矩阵由该网格单元的坐标与叶片外型线的三维坐标点之间的距离决定：将距离该网格单元距离最近的外型线三维坐标点所储存的主坐标系下导热系数矩阵赋值给该网格单元，以此方法循环遍历cmc涡轮叶片上的所有网格单元，直至完成叶片所有网格单元的赋值。
17、与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
18、在对编织cmc材料涡轮叶片进行流动换热仿真计算时只需提供三条叶片外型线的坐标点数据，即可在fluent中实现编织cmc材料涡轮叶片导热系数各向异性且导热系数方向随叶形变化材料属性的设置，提高流动换热仿真计算精度。
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1.一种基于Fluent UDF的CMC材料涡轮叶片各向异性热分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于Fluent UDF的CMC材料涡轮叶片各向异性热分析方法，其特征在于：所述步骤1中通过在CMC涡轮叶片外型线上等距取三维坐标点的方法获取每条外型线的三维坐标点数据，并将每条外型线的三维坐标点数据单独储存在一个txt文件中，且对每条外型线取的三维坐标点应不少于200个，三维坐标点之间禁止重复选取。
3.根据权利要求2所述的一种基于Fluent UDF的CMC材料涡轮叶片各向异性热分析方法，其特征在于：所述步骤1中计算两个三维坐标点的连线斜率再取arctan的方法得到三条外型线中每个三维坐标点相对于主坐标系下的偏转角，每个外型线三维坐标点主坐标系下的导热系数矩阵和计算坐标系与主坐标导热系数矩阵关系矩阵是由步骤1中的偏转角所决定。
4.根据权利要求3所述的一种基于Fluent UDF的CMC材料涡轮叶片各向异性热分析方法，其特征在于：步骤二中计算坐标系下导热系数矩阵与主坐标系下导热系数矩阵转换公式为：
5.
...【技术特征摘要】
1.一种基于fluent udf的cmc材料涡轮叶片各向异性热分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于fluent udf的cmc材料涡轮叶片各向异性热分析方法，其特征在于：所述步骤1中通过在cmc涡轮叶片外型线上等距取三维坐标点的方法获取每条外型线的三维坐标点数据，并将每条外型线的三维坐标点数据单独储存在一个txt文件中，且对每条外型线取的三维坐标点应不少于200个，三维坐标点之间禁止重复选取。
3.根据权利要求2所述的一种基于fluent udf的cmc材料涡轮叶片各向异性热分析方法，其特征在于：所述步骤1中计算两个三维坐标点的连线斜率再取arctan的方法得到三条外型线中每个三维坐标点相对于主坐标系下的偏转角，每个外型线...
【专利技术属性】
技术研发人员：褚艳超，赵明东，屠泽灿，毛军逵，鲍子豪，任志轩，
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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