11-燃氣輪機整機數(shù)值模擬-西工大-董素艷

1、燃氣輪機整機數(shù)值模擬董素艷西北工業(yè)大學(xué),Realize innovation.,Restricted Siemens AG 2017,.,研究背景,微型發(fā)動機的整機模擬,整機模擬對數(shù)值分析技術(shù)帶來的挑戰(zhàn),結(jié)論,Agenda,.,研究背景,微型發(fā)動機的整機模擬,整機模擬對數(shù)值分析技術(shù)帶來的挑戰(zhàn),結(jié)論,Agenda,研究背景,數(shù)值仿真技術(shù)在燃氣輪機及航空發(fā)動機的設(shè)計過程中起著重要的作用。當(dāng)前國內(nèi)燃氣輪機及航空發(fā)動機數(shù)值仿真設(shè)計主要基于部件級（將發(fā)動機按幾何結(jié)構(gòu)進行孤立劃分，如壓氣機、燃燒室、渦輪、盤腔等）的模擬、按單一物理場（流場、溫度場、結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形等）或者單一維度（一維、二維、三維等）進行數(shù)

2、值分析。先進燃氣輪機及航空發(fā)動機設(shè)計中各部件間的干涉及各物理場間的耦合效應(yīng)愈發(fā)突出。國外發(fā)動機公司充分認識到面向整機多物理場分析技術(shù)的重要性，很早就啟動這方面的研究工作，目前均已擁有各自的面向整機分析的軟件平臺或技術(shù)，分別從不同耦合層面上實現(xiàn)了發(fā)動機整機的數(shù)值模擬，并極大提升了分析設(shè)計效率，對提高發(fā)動機的設(shè)計水平及核心競爭力有著重要意義。,同行相關(guān)工作（一）,計算域包括49排葉柵結(jié)構(gòu)及燃燒室 采用APNASA及NCC兩種求解器,同行相關(guān)工作（二）,計算域包括20度的周向的環(huán)段 采用CHIMPS軟件平臺,同行相關(guān)工作（三）,計算域包括主流通道及二次空氣系統(tǒng) 采用Virtual Engine軟件平

3、臺,.,研究背景,微型發(fā)動機的整機模擬,整機模擬對數(shù)值分析技術(shù)帶來的挑戰(zhàn),結(jié)論,Agenda,整機數(shù)值模擬帶來的挑戰(zhàn),整機的幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。體現(xiàn)在多級葉柵結(jié)構(gòu)、燃燒室、高壓渦輪的冷卻結(jié)構(gòu)方面。 包含的物理現(xiàn)象具有多樣性。如在發(fā)動機中，氣流通過進氣道、壓氣機、燃燒室、渦輪、尾噴管等等結(jié)構(gòu)，氣流速度、壓力、溫度等參數(shù)發(fā)生劇烈變化、在燃燒室中發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。整個計算區(qū)域存在不同的靜止、運動的子區(qū)域等等。 整機的數(shù)值模擬對應(yīng)的計算網(wǎng)格的規(guī)模通常非常龐大，因此計算軟件必須能解決大規(guī)模并行問題，并且具有高的并行效率。 ,Star-CCM+軟件針對整機數(shù)值模擬的特點,幾何方面： 同主流CAD軟件通暢的

4、數(shù)據(jù)接口，如發(fā)動機行業(yè)主要使用的UG軟件。降低了模型轉(zhuǎn)換過程中的幾何失真，使復(fù)雜幾何模型的處理更加高效。 參數(shù)化能力。 網(wǎng)格方面： 支持多種網(wǎng)格單元（如四面體、五面體、六面體及多面體等）形式的混合網(wǎng)格技術(shù)，使得網(wǎng)格剖分更加靈活。操作模式比較友好，降低了用戶使用難度。并行網(wǎng)格劃分技術(shù)提升了網(wǎng)格劃分效率。 求解技術(shù)方面： 具有多種求解器及算法。如針對低速流或高速流的流體求解器，針對固體結(jié)構(gòu)的FEA求解器。 豐富的物理模型。如湍流、燃燒、輻射等均包含多種選擇。 高性能的并行計算效率。 較豐富的耦合數(shù)據(jù)接口，尤其是求解器自耦合的功能。比如兩個StarCCM+計算任務(wù)可以相互耦合。 程序的可開發(fā)定制性較

5、好。 后處理方面： 用戶操作非常方便。 對于計算結(jié)果的圖形顯示及交互功能比較靈活。,.,研究背景,微型發(fā)動機的整機模擬,整機模擬對數(shù)值分析技術(shù)帶來的挑戰(zhàn),結(jié)論,Agenda,微型發(fā)動機整機模擬算例,模擬對象：采用某型微型發(fā)動機的整機模型 研究目的：檢驗當(dāng)前商用CFD軟件在整機數(shù)值模擬中的適用性 計算模型及方法： 對幾何結(jié)構(gòu)基本沒有簡化，模擬的是完整發(fā)動機的整環(huán)結(jié)構(gòu)。 計算域包含整個發(fā)動機的流體域及固體域。 真實混合物流體介質(zhì)。 湍流模擬。 考慮燃燒及輻射。 考慮流體同固體結(jié)構(gòu)的耦合傳熱。 輸入條件： 發(fā)動機三維結(jié)構(gòu)。 發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。 發(fā)動機燃油流量。,渦噴幾何模型,渦噴幾何模型,渦噴幾何模型,

6、整機計算域,整機計算域,整機計算網(wǎng)格,燃燒室計算網(wǎng)格,壓力分布,溫度分布,溫度分布,溫度分布,溫度分布,壓力分布,燃料丙烷濃度分布,燃燒產(chǎn)物二氧化碳濃度分布,結(jié)果分析,對于微型發(fā)動機整機模擬需要輸入的邊界條件相對簡單。通過數(shù)值分析后，得到比較模擬發(fā)動機的空氣流量、推力、燃燒室的壓力水平以及排氣溫度，基本同發(fā)動機的使用說明書上的參數(shù)相一致，這說明目前整機數(shù)值模擬技術(shù)已開始具備工程實用價值。 為了更具體地體現(xiàn)當(dāng)前CFD技術(shù)在發(fā)動機部件模擬的精度，下面給出高壓渦輪氣熱固耦合分析結(jié)果同實驗數(shù)據(jù)的對比。,高壓渦輪導(dǎo)葉流固耦合傳熱分析-實驗驗證,計算同試驗對比-工況1,.,研究背景,微型發(fā)動機的整機模擬,整機模擬對數(shù)值分析技術(shù)帶來的挑戰(zhàn),結(jié)論,Agenda,結(jié)論,發(fā)動機整機數(shù)值模擬可以給出更加詳細及具體的發(fā)動機參數(shù)分布情況，對于更高性能發(fā)動機的設(shè)計具有更好的指導(dǎo)意義及參考價值。 在工程應(yīng)用領(lǐng)域中實現(xiàn)對整機的數(shù)值模擬是一個技術(shù)發(fā)展趨勢。 在理論方面，當(dāng)前的CFD分析技術(shù)已基本滿足發(fā)動機整機模擬的技術(shù)需求。 商業(yè)CFD軟件由于集成了豐富的物理模型及CFD分析技術(shù)，便捷的幾何處理及網(wǎng)格劃分能力，是當(dāng)前國內(nèi)實現(xiàn)發(fā)動機整機數(shù)值模擬的一種快捷工具及手段。目前商用CFD軟件的求解能力及分析精度已基本滿足工程設(shè)計的需求，但