基于CFX的渦輪葉片流場及溫度場的數(shù)值模擬

曹惠玲，歐金平

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

基于CFX的渦輪葉片流場及溫度場的數(shù)值模擬

曹惠玲，歐金平

（中國民航大學(xué)航空工程學(xué)院，天津 300300）

渦輪葉片作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)重要的熱端部件，其工作情況直接影響到渦輪的機(jī)械效率。利用流體計(jì)算軟件CFX研究了渦輪葉片工作時(shí)的流場及溫度場，并進(jìn)行了較為深入的分析，較真實(shí)地展現(xiàn)了葉片工作時(shí)的情況，為驗(yàn)證冷卻方式的有效性及對渦輪葉片進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。

CFX；渦輪葉片；流場；溫度場

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)的進(jìn)步，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）在眾多領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。另外，由于高昂的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，許多實(shí)驗(yàn)研究一般很難實(shí)現(xiàn)，這就使得采用計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行數(shù)值模擬成為進(jìn)行科學(xué)研究的重要手段之一。

渦輪葉片是航空發(fā)動(dòng)機(jī)完成能量形式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，這就決定了其工作環(huán)境的極端高溫性；再加上燃?xì)獾母咚俸腿~片的高轉(zhuǎn)速，由此造成了葉片的壽命短、可靠性差。由于提高渦輪入口溫度是增加燃?xì)廨啓C(jī)效率的常見手段之一，這更加重了渦輪葉片的工作負(fù)擔(dān)。據(jù)美國權(quán)威部門的統(tǒng)計(jì)，航空發(fā)動(dòng)機(jī)中的故障有60%以上出現(xiàn)在高溫部件，并有不斷上升的趨勢，中國的一些航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的壽命只有幾百小時(shí)，并且高溫部件的材料費(fèi)及加工費(fèi)高昂，由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重[1]。因此研究渦輪葉片工作時(shí)的溫度場、流場以及所受應(yīng)力的分布情況就顯得十分重要。

本文采用CFX研究渦輪葉片的流場及溫度場的分布。以某型號航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片葉身為例，利用CFX研究渦輪葉片工作過程中壓力、溫度分布情況。

CFX是現(xiàn)今世界上十分優(yōu)秀的CFD軟件之一，系英國AEA Technology公司為處理工程實(shí)際問題而開發(fā)的第一個(gè)通過ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的商業(yè)軟件。其前處理ICEM CFD模塊在生成網(wǎng)格時(shí)，可對邊界層網(wǎng)格、劇烈變化的流場區(qū)域進(jìn)行加密處理，極大地提高了數(shù)值模擬精度。

1 計(jì)算方法

1.1 建立葉片物理模型

為了提高渦輪效率，渦輪葉片的表面形狀通常設(shè)計(jì)成扭曲的變截面曲面，形狀復(fù)雜[2]。此外，其葉身截面外型所需的氣動(dòng)數(shù)據(jù)一般很難獲得，葉高方向上葉身截面線的積疊尚未找到較好的解決辦法。由于渦輪冷卻葉片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形式多樣，很難直接建立其三維參數(shù)化模型[3]。因此，本文利用三維建模軟件catia建立其簡化模型。葉片材料選用鎳基難變形高溫合金GH4049，密度ρ=8 440 kg/m3，定壓比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)如表1和表2所示。

表1 GH4049比熱容Tab.1 Specific heat of GH4049

表2 GH4049導(dǎo)熱系數(shù)Tab.2 Thermal couductivity of GH4049

由于材料隨溫度變化呈現(xiàn)非線性關(guān)系，將比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)均擬合為溫度的函數(shù)關(guān)系，即

1.2 網(wǎng)格劃分

由于網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果，再加上葉片形狀復(fù)雜，流場通道彎曲。因此本文采用ANSYS ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分。ANSYS ICEM作為專業(yè)的前處理軟件為所有世界流行的CAE軟件提供高效可靠的分析模型。目前，ICEM作為CFX和FLUENT標(biāo)配的網(wǎng)格劃分軟件，取代了GAMBIT的地位。網(wǎng)格類型大致分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在近壁面區(qū)域，邊界層效應(yīng)會引起沿壁面法向的速度梯度變化，若采用單純的四面體單位（非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格），則需要極大的網(wǎng)格密度才可以避免計(jì)算誤差[4]。與此同時(shí)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在流體力學(xué)中具有以下優(yōu)點(diǎn)：①可以采用較為成熟的網(wǎng)格生成方法，對任何復(fù)雜的幾何區(qū)域構(gòu)造結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格單元都具有較高的網(wǎng)格質(zhì)量，即網(wǎng)格對復(fù)雜邊界可以保持較好的貼體性，另外網(wǎng)格可以具有很好的正交性；②相應(yīng)的流場和溫度場求解算法比較成熟，效率高，特別應(yīng)用于粘性流計(jì)算；③降低了對內(nèi)存的要求，或者說在內(nèi)存一定的情況下，可以使用較多的網(wǎng)格點(diǎn)等[5]。所以葉片采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖1所示。為了精確地模擬葉片表面附近的情況，對其壁面處第一層網(wǎng)格的無量綱進(jìn)行了控制以滿足計(jì)算要求，并對其邊界層進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)699 781個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為736 212個(gè)。

圖1 邊界層加密后的葉片通道尾緣網(wǎng)格Fig.1 Trailing edge mesh of blade passage after boundary layer encryption

1.3 控制方程

渦輪葉片流場為三維粘性湍流，對于這樣高度復(fù)雜的流場，至今還沒有精確的了解。然而在工程中，一般采用湍流模型來預(yù)測這種復(fù)雜流場。本文利用Reynolds平均動(dòng)量方程來描述葉片流場燃?xì)獾牧鲃?dòng)，其方程為

其中：μi（i=1，2，3）為流體流速；p為壓強(qiáng)；μ表示動(dòng)力粘度表示雷諾應(yīng)力項(xiàng)；Si表示廣義源項(xiàng)。

RNG K-ε模型和連續(xù)性方程使動(dòng)量方程封閉，壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式。采用入口總壓、總溫，出口平均靜壓邊界條件，在近壁面處函數(shù)自動(dòng)選擇。流體計(jì)算區(qū)域熱傳遞模型為總能模型。

1.4 邊界條件設(shè)定

邊界條件按照工程上合理、數(shù)學(xué)上適用、計(jì)算方法可行的原則進(jìn)行設(shè)置。在渦輪葉片流場計(jì)算中，邊界條件有：進(jìn)出口邊界條件、周期性邊界條件等。氣動(dòng)邊界條件如下：進(jìn)口總溫T0=1 600 K、進(jìn)口總壓P0=1 300 kPa、進(jìn)口氣流角α=0、出口平均靜壓P2=950 kPa。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1 溫度場分析

經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)CFD分析流程設(shè)置后，得到如圖2和圖3給出的渦輪葉片表面的溫度場分布，整體上看葉片溫度從前緣到后緣依次降低，葉盆一側(cè)溫度要比葉背處高且其主流流動(dòng)穩(wěn)定，這表明熱傳遞的大小決定于邊界層的流動(dòng)情況和溫度分布。

圖2 葉片葉盆溫度分布Fig.2 Temperature distribution of blade basin

圖3 葉片葉背溫度分布Fig.3 Temperature distribution of blade back

此外，由葉片溫度場分布圖可以看出：溫度最高的地方出現(xiàn)在葉片前緣，相反溫度最低部分為葉片尾緣。這是由燃?xì)饬鲃?dòng)方向決定的，葉片前緣附近燃?xì)鉁囟茸罡?，又由于流道?nèi)燃?xì)馑俣炔粩嘣龃螅錅囟戎饾u降低導(dǎo)致葉片表面溫度從前緣到后緣依次降低。

2.2 流場分析

圖4顯示的是葉片的流場壓力分布。

圖4 葉片流場壓力分布圖Fig.4 Pressure distribution of blade flow field

整體上看壓力沿著主流燃?xì)饬鲃?dòng)方向逐漸降低，在葉片葉背尾緣前壓力達(dá)到最低。葉片葉尖處發(fā)生了由葉片葉盆向葉背流動(dòng)的潛流，因此為了提高渦輪效率，必須設(shè)法減少這樣的二次損失。目前采取的措施主要有兩方面：①安裝輪箍，即使用帶冠的渦輪葉片，以減少潛流損失；②控制渦輪間隙或安裝密封裝置，減少漏氣損失。

圖5為渦輪葉片流道中沿主流燃?xì)饬鲃?dòng)方向的壓力分布數(shù)值計(jì)算結(jié)果，因主流燃?xì)庠谌~片彎曲流道中流動(dòng)，葉片葉盆受到離心力的作用，此離心力與流場中產(chǎn)生的壓力梯度相平衡，壓力梯度的正方向指向葉背。所以其流道內(nèi)形成了如圖5所示的葉盆一側(cè)壓力高、葉背一側(cè)壓力低的分布特點(diǎn)。

圖5 靜壓分布Fig.5 Static pressure distribution

圖5表明最高壓力出現(xiàn)在葉盆的進(jìn)氣邊，葉盆及葉背處的壓力沿主流燃?xì)饬鲃?dòng)方向逐漸降低。最低壓力出現(xiàn)在葉背尾緣前面。這是由于葉盆進(jìn)氣邊為燃?xì)馊肟诘臏裹c(diǎn)，速度為0、壓力達(dá)到了滯止壓力。葉盆主流流動(dòng)處于順壓梯度下，因此邊界層外緣的主流速度在沿途增大，主流壓力逐漸減小。在葉背處，主流壓力逐漸降低以至低于出口壓力，隨后在尾緣附近由于有葉盆尾緣向葉背流動(dòng)的潛流，再加上較高的出口壓力，使得葉背尾緣處恢復(fù)到了出口壓力。

3 結(jié)語

本文利用ANSYS CFX數(shù)值模擬了渦輪葉片工作時(shí)的流場以及溫度場，較為精確地反映了真實(shí)渦輪葉片某工況時(shí)的情況，為以后對渦輪葉片進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合，模擬采取有效的冷卻方式分析葉片溫度場和流場打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

表4 多航空器避讓運(yùn)行結(jié)果Tab.4 Aircrafts operation results of conflicts resolution

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（責(zé)任編輯：楊媛媛）

Numerical simulation of flow field and temperature field of turbine blade based on CFX

CAO Hui-ling，OU Jin-ping
（College of Aeronautical Engineering，CAUC，Tianjin 300300，China）

Turbine blade is an important hot component of aviation engine.Its performance directly affects the mechanical efficiency of turbine.The flow field and temperature field of turbine blade are studied through 3-D numerical simulation.The analysis of numerical results is close to the actual situation.It is very useful to use multi-physics coupling calculation in selection of more effective cooling means of turbine blade in the future.

CFX；turbine blade；flow field；temperature field

V235.13

：A

：1674-5590（2014）05-0011-04

2013-07-12；

：2013-10-17

：中國民航大學(xué)博士啟動(dòng)基金項(xiàng)目（QD02s04）

曹惠玲（1962—），女，河北唐山人，教授，工學(xué)博士，研究方向?yàn)楹娇瞻l(fā)動(dòng)機(jī)性能分析與故障診斷.