涡轮仿真技术革新:全环网格方案赋能跨尺度物理场高精度捕捉

2025-05-28

  在航空航天与能源动力领域,涡轮发动机性能至关重要。涡轮作为核心动力转换部件,将高温高压燃气的动能转化为机能,驱动压气机旋转并产生巨大推力,需应对高温、高压及高转速的复杂挑战,其械设计水平直接决定了发动机的性能上限。

  在对涡轮进行研究与优化设计时,精准的仿真分析不可或缺,秩益科技自主开发的高解析度工业仿真软件DIMAXER优势显著:

  高效灵活的网格处理

  DIMAXER 高效灵活的网格处理技术,能快速生成契合涡轮叶片复杂几何的高质量网格,针对精细气膜孔与复杂曲面,可自动加密、自适应调整。

  跨尺度物理场的高解析度捕捉

  相同算力成本下,仿真解析度提升超 2 个量级,精准捕捉细微物理现象、解析湍流细节,为叶片设计优化输送精准信息,增强其在高温等极端环境的可靠性。

 

  1.5级Aachen Turbine

  采用DIMAXER对一级半高负荷高压涡轮进行仿真。

  总的网格单元数为50万,采用4阶精度求解,约6080万求解点。沿叶高方向设置了30个网格点,其中5个点布置在动叶叶顶间隙内。

一级半涡轮网格,复制为整周

  一级半涡轮网格,复制为整周

  以下为通道内的涡结构云图和80%叶高处的速度云图,可以看出DIMAXER具备较高的解析度,可为涡轮级气动设计仿真提供精准支撑。

80%叶高流面马赫数云图

80%叶高流面马赫数云图

涡结构云图

涡结构云图

Q准则速度着色,Q=5e7

 

  E3高效节能发动机大涡模拟

  E3(Energy Efficient Engine,高效节能发动机)是GE公司在20世纪70-80年代研发的先进航空发动机技术验证项目,旨在提升燃油效率和降低排放。其中,涡轮部件设计为两级高压涡轮,五级低压涡轮,涡轮部件共 14 个叶片排。

  低压涡轮转子为带冠设计。高压涡轮(HPT)设计采用了如高性能叶片,独特的气膜冷却系统和主动间隙控制等多项创新技术,为后续商用发动机(如GE90、GE9X等)奠定了基础。

E3全部涡轮子午面流道

E3全部涡轮子午面流道

E3高压涡轮子午面流道

E3高压涡轮子午面流道

几何参数

 

  E3高压涡轮的冷气膜技术,将冷却气流从叶片内部或高压压气机引出,经气膜孔喷至叶片表面形成低温气膜 。其气膜孔分布特点:

  • 前缘密集设多排气膜喷淋孔,形成连续覆盖;
  • 压力面和吸力面差异化布局。压力面(叶盆)多布冷气孔,借内凹曲率增强气膜附着力,吸力面(叶背)仅前缘附近设 3-4 排孔,避免高速气流致气膜剥离 。
NASA-E3高压涡轮静子叶片叶轮冷气边界

  NASA-E3高压涡轮静子叶片叶轮冷气边界

  以静子叶轮的结构为例,展示冷气边界的布局特点

  本次我们计算了第一级的高压涡轮,重点关注高压气体流动特性和冷气膜边界与主气流的掺混效果。

  1. 灵活高效的网格方案

  传统旋转机械叶轮仿真通常采用单通道流域计算,交界面附近存在精度损失,且该损失逐级增加,本案例基于DIMAXER 软件进行了一级高压涡轮全环计算。

  01 全环叶轮网格处理

  全环网格560万,超3亿求解点。网格近壁面尺寸为6e-05m,叶片壁面的yPlus为30~50。

S1叶片前缘处理

S1叶片前缘处理

R1叶片前缘处理

R1叶片前缘处理

叶轮整体网格

  叶轮整体网格

  02 网格交界面的切分处理

  

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