一种基于CFD的旋转隔板通流级气动特性计算方法与流程

一种基于cfd的旋转隔板通流级气动特性计算方法
技术领域
1.本发明属于流动换热技术领域，具体涉及一种基于cfd的旋转隔板通流级气动特性计算方法。


背景技术：

2.旋转隔板主要由转动环、板体、装配式导叶、上罩环、下罩环、连杆机构、油动机等部件组成，其通过转动安置在静叶前的转动环进汽窗口改变静叶通流面积，来控制调整抽汽流量。
3.在进行旋转隔板通流级设计时，确定转动转角与抽汽及通流流量间的映射关系是至关重要的。考虑到进行整机高温实际试验较为困难的前提，使用计算流体力学的方法来进行研究是高效且便捷的。现有的计算方法通常只采用周期性边界关注单体模型的特征，虽然能对给予一定的指导性意见，但单体模型计算缺乏对于全局关键现象，例如周向开口面积不一致时，不同旋转窗口汽流出流后，相互间以及其与叶栅主流间的三维复杂掺混现象的捕捉。简化计算方式使得计算模型的边界条件在一定程度上与真实模型不符，模拟结果将产生不确定的插值误差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于cfd的旋转隔板通流级气动特性计算方法，该方法建立了全三维的计算模型，包括旋转隔板进汽窗口、喷嘴组引流过渡段、静叶喷嘴及动叶的计算域模型，因而能够精准对不同旋转窗口汽流出流相互间以及其与叶栅主流间的三维复杂掺混现象的进行捕捉，使转动转角与抽汽及通流流量的计算结果更加真实可靠。
5.为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
6.s1，建立1:1实体尺寸的三维旋转隔板通流级计算域模型，三维旋转隔板通流级计算域模型包括旋转隔板进汽窗口、喷嘴组引流过渡段、静叶喷嘴及动叶的计算域模型；
7.s2，对三维旋转隔板通流级计算域模型进行网格刨分生成多块结构化网格；
8.s3，对旋转隔板通流级计算域模型，依据物理实际条件进行边界条件设置建立数值仿真计算模型，进行流动数值求解；
9.s4，利用建立的数值仿真计算模型，通过改变旋转隔板进汽窗口旋转开度，获取得不同转动转角与通流流量所对应的函数关系式；
10.通过改变旋转隔板进汽窗口旋转开度至全关，获取最小冷却角边界下，旋转隔板后通流级气动特性，评估其是否存在鼓风发热安全隐患。
11.s1中，建立三维旋转隔板通流级计算域模型的具体方法如下：
12.s11，建立旋转隔板进汽窗口计算域模型，旋转隔板进汽窗口周向开口面积不一致，为非轴对称布置，计算域模型为全周模型；
13.s12，建立喷嘴组引流过渡段计算域模型，计算域模型为全周计算模型；
14.s13，建立静叶喷嘴及动叶计算域模型，静叶喷嘴为成组的周向性模型，动叶模型为旋转周向性模型。
15.运用几何模型建立软件建立旋转隔板进汽窗口计算域模型、喷嘴组引流过渡段计算域模型和静叶喷嘴及动叶计算域模型。
16.s2中，网格刨分的具体方法如下：
17.s21，将旋转隔板进汽窗口及喷嘴组引流过渡段三维计算域模型进行网格刨分，通过由顶至下的方式，生成多重拓扑块的结构网格；网格生成时在壁面进行网格加密，同时采用o型网格生成边界层，生成网格时，网格最大长宽比小于100，正交角大于45度；
18.s22，将静叶喷嘴及动叶的三维计算域模型进行网格刨分，静叶进口流道及叶片进出口延伸处的拓扑结构采用h-o-h结构化网格，静叶叶片表面采用o型拓扑贴体网格，分别进行周向、轴向及径向节点加密以保证后期数值求解。
19.将旋转隔板进汽窗口及喷嘴组引流过渡段三维计算域模型导入网格生成软件icem进行网格刨分；
20.将静叶喷嘴及动叶的三维计算域模型导入网格生成软件numeca auto grid进行网格刨分。
21.s3中的具体方法如下：
22.s31，旋转隔板进汽窗口主流进口设置总压、总温、湍流度边界条件，流动方向与进口面垂直；
23.动叶出口设置出口平均静压边界条件；
24.计算域分别设置静止域及旋转域，旋转域及旋转壁面根据实际转速情况设置旋转速度，动静交界区域数据传递方式为混合平面，其余固体壁面设置为均匀为绝热无滑移壁面；
25.s32，求解三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组，并引入boussinesq湍流模型假设使湍流计算雷诺时均navier-stokes方程组封闭，通过计算获取流体计算域压力、温度及流速的气动参数。
26.静止域中包括旋转隔板进汽窗口、喷嘴组引流过渡段以及静叶；旋转域中包括动叶。
27.三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组通用形式如下：
[0028][0029]
式中ρ是流体密度；为通用变量，能够代表u、v、w、t以及k和ε的求解变量，为广义扩散系数，为广义源项，其中与的表达式是在数值计算模型中基于特定变量给出的定义；
[0030]
引入基于boussinesq假设的湍动粘度，将雷诺应力表示成湍动粘度的函数，即：
[0031][0032]
[0033][0034]
式中，μ
t
为湍动粘度，k为湍动能，δ
ij
为克罗内克符号。
[0035]
与现有技术相比，本发明的计算模型能够精准捕捉旋转隔板窗口周向开口面积不一致时，不同旋转窗口汽流出流后，相互间以及其与叶栅主流间的三维复杂掺混现象的。可获取不同转动转角与通流流量所对应的函数关系式，为工程设计提供更精准的基础数据。本发明采用不同数值仿真计算模型，通用性较强。
附图说明
[0036]
图1为本发明实施例的旋转隔板通流级结构计算模型图；
[0037]
图2本发明实施例的旋转隔板通流级计算网格；其中，(a)为静叶喷嘴计算网格，(b)为动叶计算域网格，(c)为喷嘴组引流过渡段计算域网格；
[0038]
图3本发明实施例的旋转隔板通流级计算模型旋转窗口分布；
[0039]
图4为本发明实施例的静叶进口截面压力分布图；
[0040]
图5为本发明实施例的静叶出口截面压力分布图；
[0041]
图6为本发明实施例的不同窗口处速度矢量分布图；
[0042]
图7为本发明实施例的不同转动转角与通流流量所对应的关系图；
[0043]
图8为本发明的流程图。
具体实施方式
[0044]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0045]
参见图1至图8，本发明包括以下步骤：
[0046]
步骤1，参照通流结构根据几何图纸真实尺寸，通过三维建模软件建立1:1实体尺寸的三维旋转隔板通流级计算域模型，包括旋转隔板进汽窗口、喷嘴组引流过渡段、静叶喷嘴及动叶的计算域模型，具体步骤如下：
[0047]
步骤1-1：运用几何模型建立软件建立旋转隔板进汽窗口计算域模型，窗口数目依据实际图纸进行选取，其中旋转隔板进汽窗口周向开口面积不一致，为非轴对称布置，计算域模型为全周模型；
[0048]
步骤1-2：运用几何模型建立软件建立喷嘴组引流过渡段计算域模型，引流过渡段对应的静叶喷嘴流通面积依据实际图纸进行确定，计算域模型为全周计算模型；
[0049]
步骤1-3：用几何模型建立软件建立静叶喷嘴及动叶计算域模型，静叶喷嘴为成组的周向性模型，动叶模型为旋转周向性模型；
[0050]
步骤2，将步骤1中得到三维旋转隔板通流级计算域模型，进行网格刨分生成多块结构化网格，具体步骤如下：
[0051]
步骤2-1：将旋转隔板进汽窗口及喷嘴组引流过渡段三维计算域模型导入网格生成软件 icem进行网格刨分，通过由顶至下的“雕塑”方式，生成多重拓扑块的结构网格。网格生成时在壁面进行网格加密，同时采用o型网格生成边界层。生成网格时，保证网格最大长宽比小于100，正交角在45度以上。
[0052]
步骤2-2：将静叶喷嘴及动叶的三维计算域模型导入网格生成软件numeca auto
grid进行网格刨分，静叶进口流道及叶片进出口延伸处的拓扑结构采用h-o-h结构化网格，静叶叶片表面采用o型拓扑贴体网格，分别进行周向、轴向及径向节点加密以保证后期数值求解。
[0053]
步骤3，对旋转隔板通流级计算域模型，依据物理实际条件进行边界条件设置并进行流动数值求解，具体步骤如下：
[0054]
步骤3-1：旋转隔板进汽窗口主流进口设置总压、总温、湍流度边界条件，流动方向与进口面垂直；动叶出口设置出口平均静压边界条件；计算域分别设置静止域及旋转域，静止域中包括旋转隔板进汽窗口、喷嘴组引流过渡段以及静叶，旋转域中主要包括动叶；旋转域及旋转壁面根据实际转速情况设置旋转速度，动静交界区域数据传递方式为混合平面(stage)，其余固体壁面设置为均匀为绝热无滑移壁面；
[0055]
步骤3-2：求解三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组，并引入boussinesq湍流模型假设使湍流计算雷诺时均navier-stokes方程组封闭，通过计算获取流体计算域压力、温度及流速等重要气动参数；
[0056]
其中三维粘性可压缩非稳态流动传热控制方程组通用形式如下：
[0057][0058]
式中ρ是流体密度；为通用变量，可以代表u、v、w、t以及k和ε等求解变量；为广义扩散系数；为广义源项。其中与的表达式是在数值计算模型中基于特定变量给出的定义。
[0059]
引入基于boussinesq假设的湍动粘度，将雷诺应力表示成湍动粘度的函数，即：
[0060][0061][0062][0063]
式中，μ
t
为湍动粘度，k为湍动能，δ
ij
为克罗内克符号。
[0064]
步骤4：利用所建立的数值仿真计算模型，通过改变旋转隔板进汽窗口旋转开度，获取得不同转动转角与通流流量所对应的函数关系式。通过改变旋转隔板进汽窗口旋转开度至全关，获取最小冷却角边界下旋转隔板后通流级气动特性，评估其是否存在鼓风发热安全隐患。