一種渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型的參數化造型方法與流程
2023-05-16 19:04:31 1
本發明涉及渦輪葉片設計領域，具體來說，是一種渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型的參數化造型方法。
背景技術：
現代航空燃氣渦輪發動機為了獲得更高的推重比和熱效率，不斷提高渦輪入口溫度，目前渦輪進口溫度已經遠遠超過葉片材料的熔點溫度，必須採用複雜的冷卻技術來保持渦輪葉片的正常工作，準確預測渦輪葉片的溫度場是提高冷卻效率、延長葉片工作壽命的關鍵問題，隨著計算流體力學的不斷發展，氣熱耦合數值模擬技術已經成為預測發動機熱端部件溫度分布的重要工具，但是針對結構複雜的渦輪葉片的氣熱耦合數值模擬計算周期長、計算難度大，其中計算域幾何建模和網格前處理佔用大量的時間，且模型精度難以控制，制約了其在燃氣渦輪工程設計中的應用。
氣熱耦合計算就是在分析過程中同時考慮流體運動和溫度場相互作用的計算方法，在計算過程中，通過對流場、結構內部傳熱、流場與結構接觸面之間流動與換熱邊界的計算等多場耦合計算。渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型是由渦輪葉片內部流道冷氣域、外部燃氣域以及渦輪葉片實體組成；渦輪葉片實體模型由於在進行數值模擬前已經存在，故以下所述渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型不包括渦輪葉片實體。渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型建模首先根據渦輪葉片實體，創建覆蓋葉片的初步流體計算區域，然後確定葉片流體計算區域前、後邊界面，接著按照指定高度，創建葉片流體計算區域上、下邊界面；再根據上下以及前後邊界面修剪初步得到的流體計算區域，分別拉伸修減後的實體所對應葉片前、尾緣面的輪廓，並指定對應的進出口角度和拉伸長度，得到流體進出口區域；將創建的流體計算區域與葉片實體進行布爾減，抽取葉片實體的內型和外型面，並根據內外型面分割布爾減得到的實體，得到具有燃氣域和冷氣域的氣熱耦合計算域幾何模型。
但在工程實際中，通過上述方法形成的渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型存在著一些不足：
(1)渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型的創建屬於學科交叉問題，關於其參數化造型的研究與相關專利較少，導致渦輪葉片在進行氣熱耦合數值模擬的時候由cad模型到cae模型的轉換存在模型精度和建模效率問題。
(2)現有方法渦輪葉片流體計算區域前、後邊界面的確定一般採用的是葉片葉盆曲面或者葉背曲面，導致分割後的流體計算域不對稱，影響後續網格劃分和有限元分析。
(3)現有渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型建模主要的還是內部流道相對簡單的渦輪葉片，仍缺少對於一些內部流道複雜的渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型建模。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型的參數化造型方法，通過在ug(unigraphics，交互式計算機輔助設計與計算機輔助製造系統)中構建能夠完全覆蓋以及可控進出口角度的流體計算域，然後由所生成的流體計算域幾何模型與渦輪葉片實體進行布爾求差運算，並對關鍵的熱交換面進行處理，最終渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型的參數化造型。
本發明一種渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型的參數化造型方法，具體通過下述步驟實現：
步驟1：在ug中導入渦輪葉片實體文件；
在ug中建模模塊，導入存在的渦輪葉片實體文件；使ug絕對坐標系o(x,y,z)中原點o位於渦輪發動機的軸線上，z軸正向位於葉高方向，x軸正向為沿發動機中心線從前向後方向，y軸正向按右手直角坐標系確定；
步驟2：在基準面yoz內部創建草圖，並在草圖內創建一個同時包含定形參數和定位參數的矩形，其中，定形參數為矩形的長度l1與寬度w1，且矩形大於葉片在yoz內的最小包圍矩形，定位參數為矩形中心線與z軸重合，底邊距x軸距離為d1，d1小於葉片最小包圍盒z值；創建完矩形草圖後，ug自動生成矩形長度l1的表達式p1、寬度w1的表達式p2以及底邊距x軸距離為d1的表達式p3；將上述創建的草圖為拉伸輪廓，拉伸方向為x軸方向，拉伸沿拉伸方向起始位置為-d2，結束位置為d2，要求d2大於葉片截面線最長弦長的一半，生成能夠覆蓋渦輪葉片初步流體計算區域；
步驟3：通過葉片葉頂中弧線和葉根中弧線創建中弧面片體，將得到的中弧面片體沿其四條邊按照自然曲率的延伸方法延伸一定距離並保證片體能夠穿透步驟2創建的初步流體計算區域，即延伸片體；
步驟4：以原點o為旋轉中心，x軸為旋轉軸，旋轉角度為α1，旋轉步驟3創建的延伸片體，以同樣的方式旋轉角度-α1，旋轉角度與渦輪的葉片數相關，並創建角度α1表達式p4，分別得到渦輪葉片流體計算區域前後邊界面；
步驟5：在基準面xoz平面內創建草圖,並在草圖內創建一個同時包含定形參數和定位參數的直線段，其中定形參數為直線段長度l2(l2＞l1)，定位參數為直線段中點與z軸重合，距x軸距離為d2；創建完草圖後ug自動生成直線段長度l2的表達式p5和距x軸距離為d2的表達式p6；以原點o為旋轉中心，x軸為旋轉軸，旋轉已經創建草圖，旋轉開始角度為-α2，旋轉結束角度為α2，生成渦輪葉片流體計算區域上邊界面，以同樣的方式創建草圖並旋轉，生成渦輪葉片流體計算區域的下邊界面，其中草圖的參數設定為:草圖基準面為xoz平面，草圖內創建一個同時包含定形參數和定位參數的直線段，定形參數為直線段長度l2(l2＞l1)，定位參數為直線段中點與z軸重合，距x軸距離為d3及其表達式p7，同時生成旋轉角度α2表達式p8；
步驟6：根據步驟4和步驟5創建的渦輪葉片流體計算區域邊界面(前、後、上、下邊界面)對步驟2創建的渦輪葉片初步流體計算區域進行修剪；
步驟7：採用拉伸的方法，根據渦輪葉片前緣正對步驟6修剪後的實體的面的輪廓作為拉伸曲線，以與x軸方向逆時針夾角α3構建的方向向量為拉伸方向，拉伸長度為l3，創建夾角α3的表達式p9以及拉伸長度為l3的表達式p10，得到渦輪葉片進氣流體區域；以同樣的方式，對渦輪葉片尾緣正對步驟6修剪後的實體的面的輪廓作為拉伸曲線，以與x軸方向逆時針夾角α4構建的方向向量為拉伸方向，拉伸長度為l4，創建夾角α4的表達式p11以及拉伸長度為l4的表達式p11，得到渦輪葉片出氣流體區域；
步驟8：將步驟7得到的渦輪葉片進氣流體區域和出氣流體區域幾何模型與步驟1導入的渦輪葉片實體進行布爾減操作，得到渦輪葉片氣熱耦合流體計算域幾何模型；
步驟9：抽取渦輪葉片實體外型面和內型面，將抽取的面對渦輪葉片氣熱耦合流體計算域幾何模型的燃氣域和冷氣域進行分割，得到符合要求的渦輪葉片氣熱耦合流體計算域幾何模型。
通過上述方法可實現渦輪葉片氣熱耦合流體計算域模型的邊界參數α1、α2、d1、d2、d3，進氣口流體域角度α3、長度l3，出氣口流體域角度α4、長度l4等參數的全參數化，即由ug生成表達式，通過更改表達式的值，直接進行渦輪葉片氣熱耦合流體計算域幾何模型的修改。
其中，所述長度l1、寬度w1以及距離d1完全包裹葉片實體，長度l2＞2d2,距離d3＞d2＞d1。
其中，所述α1，α2，α3的取值範圍為：-90°＜α1＜90°，0°＜α2＜360°，0°＜α1＜360°。
本發明的優點在於：
(1)本發明能夠為渦輪葉片氣熱耦合數值模擬提供靈活的氣熱耦合計算域模型參數化造型方法，為氣熱耦合數值模擬提供快速的計算域建模方法以及精確的幾何模型，加快實現對渦輪葉工作狀態的模擬；
(2)本發明採用中弧面片體作為基準，創建流體計算域前、後邊界面，使得分割後的流體域是對稱的，且符合流體在發動機機匣內部的流動形式，該方法比採用葉片的葉盆曲面或者葉背曲面作為基準得到的幾何模型更加適應後續的網格劃分和有限元分析。
(3)本發明氣熱耦合計算域幾何模型參數化造型方法，給出了氣熱耦合計算域幾何模型的完全參數化造型方法，能夠快速準確的對具有複雜內部流道的渦輪葉片進行氣熱耦合計算域幾何模型造型設計，且方便後續更改，增加了葉片設計的自動化程度，縮短渦輪葉片研發周期。
附圖說明
圖1為渦輪葉片氣熱耦合計算域幾何模型的參數化造型方法流程圖。
圖2為渦輪葉片實體。
圖3為創建初步覆蓋葉片流體區域實體示意圖。
圖4為創建氣熱耦合計算域前後邊界面示意圖。
圖5為創建氣熱耦合計算域上下邊界面示意圖。
圖6為創建氣熱耦合計算域進出口區域示意圖。
圖7a氣熱耦合計算域燃氣域部分。
圖7b氣熱耦合計算域冷氣域部分。
圖中標號說明如下：
1.渦輪葉片2.中弧線3.中弧面片體4.前緣5.尾緣
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步說明。
本發明一種渦輪葉片氣熱耦合計算幾何域模型的參數化造型方法，基於ug環境，通過下述步驟實現，如圖1所示：
步驟1：啟動ug，導入渦輪葉片實體文件；
打開ug中建模模塊，導入存在的渦輪葉片1(如圖2所示)實體文件；使ug絕對坐標系o(x,y,z)中原點o位於渦輪發動機的軸線上，z軸正向位於葉高方向，x軸正向為沿發動機中心線從前向後方向，y軸正向按右手直角坐標系確定，如圖2所示。
步驟2：在基準面yoz內部創建草圖，並在草圖內創建一個同時包含定形參數和定位參數的矩形，其中，定形參數為矩形的長度l1與寬度w1，定位參數為矩形中心線與z軸重合，底邊距x軸距離為d1；創建完矩形草圖後，ug自動生成矩形長度l1的表達式p1、寬度w1的表達式p2以及底邊距x軸距離為d1的表達式p3，拉伸所創建的草圖，拉伸方向為x軸方向，拉伸沿拉伸方向起始位置為-d2，結束位置為d2，生成能夠覆蓋渦輪葉片初步流體計算區域，本實施例中l1為100.0mm，w1為50.0mm，d2為20.0mm，d1為272.5mm如圖3所示；
步驟3：通過葉片中弧線2(如圖4所示)創建中弧面片體3(如圖4所示)，將得到的中弧面片體沿其四條邊，按照自然曲率的延伸方法延伸一定距離並保證片體能夠穿透步驟2創建的初步流體計算區域，即延伸片體；本實施例中延伸長度為20.0mm；
步驟4：以原點o為旋轉中心，x軸為旋轉軸，旋轉角度為α1，旋轉步驟3創建的延伸片體，以同樣的方式旋轉角度-α1，並創建角度α1表達式p4，分別得到渦輪葉片流體計算區域前、後邊界面，本例旋轉角度α1為5°，如圖4所示；
步驟5：在基準面xoz平面內創建草圖,並在草圖內創建一個同時包含定形參數和定位參數的直線段，其中定形參數為直線段長度l2(l2＞2d2)，定位參數為直線段中點與z軸重合，距x軸距離為d2；創建完草圖後ug自動生成直線段長度l2的表達式p5和距x軸距離為d2的表達式p6；以原點o為旋轉中心，x軸為旋轉軸，旋轉已經創建草圖，旋轉開始角度為-α2，旋轉結束角度為α2，生成渦輪葉片流體計算區域上邊界面，以同樣的方式創建草圖並旋轉，生成渦輪葉片流體計算區域的下邊界面，其中草圖的參數設定為草圖基準面為xoz平面，草圖內創建一個同時包含定形參數和定位參數的直線段，定形參數為直線段長度l2(l3＞l1)，定位參數為直線段中點與z軸重合，距x軸距離為d3及其表達式p7，同時生成旋轉角度α2表達式p8；，本例中，l2為68mm，d2為313.0mm，旋轉角度α2為15°，d3為275.0mm，如圖5所示；
步驟6：根據步驟4和步驟5創建的渦輪葉片流體計算區域邊界面(前、後、上、下邊界面)對步驟2創建的渦輪葉片初步流體計算區域進行修剪；
步驟7：採用拉伸的方法，根據渦輪葉片前緣4(如圖6所示)正對步驟6修剪後的實體的面的輪廓作為拉伸曲線，以與x軸方向逆時針夾角α3構建的方向向量為拉伸方向，拉伸長度為l3，創建夾角α3的表達式p9以及拉伸長度為l3的表達式p10，得到渦輪葉片進氣流體區域；以同樣的方式，對渦輪葉片尾緣5(如圖6所示)正對步驟6修剪後的實體的面的輪廓作為拉伸曲線以與x軸方向逆時針夾角α4構建的方向向量為拉伸方向，拉伸長度為l4，創建夾角α4的表達式p11以及拉伸長度為l4的表達式p11，得到渦輪葉片出氣流體區域，本例中：角度α3為30°，長度l3為50mm，角度α4為30°，長度l4為50mm，如圖6所示；
步驟8：將步驟7得到的渦輪葉片進氣流體區域和出氣流體區域幾何模型與步驟1導入的渦輪葉片實體進行布爾減操作，得到渦輪葉片氣熱耦合流體計算域幾何模型；
步驟9：抽取渦輪葉片實體外型面和內型面，將抽取的面對渦輪葉片氣熱耦合流體計算域幾何模型的燃氣域和冷氣域進行分割，分割後的燃氣域如圖7a所示，冷氣域如圖7b所示。