渦輪氣冷葉片傳熱分析數(shù)據(jù)提取技術(shù)研究

付光輝， 席 平， 張寶源， 李吉星

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

渦輪氣冷葉片傳熱分析數(shù)據(jù)提取技術(shù)研究

付光輝， 席 平， 張寶源， 李吉星

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

渦輪氣冷葉片傳熱管網(wǎng)計(jì)算是渦輪氣冷葉片傳熱設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，針對(duì)渦輪氣冷葉片傳熱設(shè)計(jì)需求，提出了渦輪氣冷葉片模型傳熱分析數(shù)據(jù)提取的方法，具體包括計(jì)算單元?jiǎng)澐帧⒘髀纷詣?dòng)判斷、網(wǎng)絡(luò)圖生成和傳熱數(shù)據(jù)提取等算法。結(jié)合渦輪氣冷葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用UG Open API工具開發(fā)了傳熱分析數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了渦輪氣冷葉片傳熱分析數(shù)據(jù)的提取、管理和輸出功能，以用于后續(xù)的分析計(jì)算，提高了傳熱設(shè)計(jì)管網(wǎng)計(jì)算的自動(dòng)化水平，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了所提出方法的可行性。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用；航空發(fā)動(dòng)機(jī)；渦輪氣冷葉片；傳熱計(jì)算；數(shù)據(jù)提取

航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪氣冷葉片設(shè)計(jì)包括氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是其設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。渦輪氣冷葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路為：初步設(shè)計(jì)——結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——熱分析（計(jì)算）——結(jié)構(gòu)調(diào)整，直至滿足設(shè)計(jì)要求[1]，其流程如圖1所示。這是一個(gè)反復(fù)調(diào)整的過(guò)程，每個(gè)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案都需要進(jìn)行熱分析計(jì)算驗(yàn)證其可行性，傳熱計(jì)算的效率與精度嚴(yán)重制約著渦輪氣冷葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的進(jìn)度和精度。在初步設(shè)計(jì)階段，采用基于經(jīng)驗(yàn)公式的葉片冷氣管網(wǎng)計(jì)算與二維熱傳導(dǎo)計(jì)算相結(jié)合的方式驗(yàn)證方案的合理性，以縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，從而獲得采用更加精細(xì)方法驗(yàn)證的最終方案。

圖1 渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

在冷卻結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段需進(jìn)行冷氣氣路管網(wǎng)計(jì)算，其計(jì)算是指將具有復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)的渦輪氣冷葉片冷氣通道，按照一定的近似條件與假設(shè)，將三維冷卻結(jié)構(gòu)等效成一維結(jié)構(gòu)，從而建立冷卻模型，用于后續(xù)的傳熱分析計(jì)算。在計(jì)算中傳熱單元的劃分和管網(wǎng)傳熱數(shù)據(jù)的提取是最為耗時(shí)的，且嚴(yán)重制約著設(shè)計(jì)的速度與準(zhǔn)確性。渦輪氣冷葉片傳熱數(shù)據(jù)提取的難點(diǎn)在于，現(xiàn)代渦輪氣冷葉片的設(shè)計(jì)采用CAD技術(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)與建模，建模主要針對(duì)的是設(shè)計(jì)與加工，追求模型的幾何準(zhǔn)確性，而較少考慮后續(xù)的分析需求?，F(xiàn)有的CAD系統(tǒng)無(wú)法滿足渦輪氣冷葉片這樣具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的分析計(jì)算需求，而 CAE軟件可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]，CAD/CAE的天然隔離，導(dǎo)致三維模型的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)無(wú)法共享，實(shí)際工作中，分析數(shù)據(jù)提取過(guò)程繁瑣、工作量大，極易發(fā)生錯(cuò)誤，大大降低了渦輪葉片的設(shè)計(jì)效率，使得設(shè)計(jì)人員陷入了數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的瑣碎細(xì)節(jié)工作之中，極大地限制了設(shè)計(jì)人員創(chuàng)造能力的發(fā)揮[3]。因此，結(jié)合CAD/CAE的一體化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)渦輪葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要途徑。

遲重然[1]提出了分層次的氣冷葉片傳熱設(shè)計(jì)方法，根據(jù)葉片流道傳熱需求逆向設(shè)計(jì)葉片結(jié)構(gòu)；張穎[3]進(jìn)行了渦輪氣冷葉片幾何模型的工程和分析信息提取及輸出相關(guān)技術(shù)研究，北京航空航天大學(xué)和沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)研究所也進(jìn)行了相關(guān)研究，目前開展的相關(guān)研究較少，因此渦輪氣冷葉片傳熱數(shù)據(jù)提取方法的研究將會(huì)是CAD/CAE一體化領(lǐng)域一項(xiàng)有益的探索。

本文對(duì)渦輪氣冷葉片的傳熱分析數(shù)據(jù)提取技術(shù)進(jìn)行了研究：首先根據(jù)渦輪氣冷葉片造型特點(diǎn)進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，提出了冷氣流路自?dòng)判斷的總體方案；然后提出了流路自動(dòng)判斷的識(shí)別算法；最后在UG平臺(tái)上驗(yàn)證了算法開發(fā)渦輪氣冷葉片冷氣流路自動(dòng)判斷程序的有效性。

1 計(jì)算模型的建立

渦輪氣冷葉片傳熱設(shè)計(jì)中冷氣氣路管網(wǎng)計(jì)算是一種經(jīng)驗(yàn)方法，具有消耗資源少、計(jì)算效率高等優(yōu)點(diǎn)。管網(wǎng)計(jì)算的第一步是建立一維計(jì)算模型，主要步驟是[4-6]：

(1) 將葉片沿葉高分成若干段，將一個(gè)流道分成幾個(gè)“節(jié)流單元”，其單元的連接處稱為節(jié)點(diǎn)（或腔室），此外，每個(gè)孔結(jié)構(gòu)也對(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)流單元。

(2) 給各個(gè)節(jié)流單元及節(jié)點(diǎn)編號(hào)，并記錄每個(gè)節(jié)流單元幾何進(jìn)、出口的編號(hào)，幾何進(jìn)出口人為確定，可不對(duì)應(yīng)流動(dòng)進(jìn)、出口，流動(dòng)的進(jìn)、出口需要根據(jù)管網(wǎng)計(jì)算確定。

(3) 建立節(jié)流單元連接關(guān)系，形成一維計(jì)算模型，繪制管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)圖。

渦輪氣冷葉片的節(jié)流單元可進(jìn)行水平分割和按腔分割。為提高后續(xù)模擬結(jié)果的精度，在保證切割獲得的每個(gè)節(jié)流單元都符合定義的前提下，需要在單個(gè)葉片上盡可能多地切割出節(jié)流單元。

首先沿葉高對(duì)葉片模型進(jìn)行分割，即用一系列水平面切割葉片實(shí)體，為進(jìn)一步葉片縱向切割做準(zhǔn)備，如圖2所示。

圖2 葉片水平分塊

在沿葉高切割的基礎(chǔ)上，自動(dòng)判斷各個(gè)水平單元體所包含的管道個(gè)數(shù)，尋找管道分界面，并允許手動(dòng)調(diào)整，以葉片隔肋兩側(cè)的管道分界面創(chuàng)立中面作為按腔切割的分界面，實(shí)現(xiàn)葉片的按腔切割，如圖3所示。

圖3 葉片縱向分塊

其具體的實(shí)現(xiàn)方法為：

(1) 獲得葉片水平分塊的所有面，判斷上下水平表面，并排除上下水平表面；判斷外輪廓，并排除外輪廓；

(2) 判斷其余面共構(gòu)成了多少個(gè)管道，并按管道將各個(gè)面分組；

(3) 按照各管道包圍盒xmin值由大到小排序；

(4) 尋找管道間的分界面；

(5) 創(chuàng)建兩管道分界面間的中面，并使用中面切割葉片水平分塊，完成葉片縱向切割，完成切割的葉片單元如圖4所示。

圖4 劃分葉片節(jié)流單元

2 連通關(guān)系判斷

連通關(guān)系的識(shí)別是在葉片水平分塊和縱向分塊基礎(chǔ)上，較自動(dòng)判斷各單元在流路上的連接關(guān)系，并記錄其先后順序，形成最終的分析數(shù)據(jù)文件。連通依據(jù)：劃分出來(lái)的實(shí)體節(jié)流單元體之間存在天然的腔體連接關(guān)系，即相鄰單元共用同一個(gè)腔體環(huán)，以此作為判別依據(jù)，獲得管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系，如圖5所示。

圖5 傳熱單元按腔連通

實(shí)現(xiàn)方法為：

(1) 根據(jù)各單元位置鄰接關(guān)系創(chuàng)建候選連接圖。

步驟 1. 葉片水平分塊和縱向分塊后，按照 Z坐標(biāo)和 X坐標(biāo)由小到大的順序給各單元編號(hào)，如圖6(a)所示。并給各實(shí)體單元命名，例如：“unit_19”。同時(shí)，將各單元編號(hào)按行存儲(chǔ)在二維數(shù)組unit_array中（這樣可以減少位置鄰接關(guān)系的判斷次數(shù)），如圖6(b)所示。

圖6 各單元編號(hào)

步驟2. 求第i行中的每一個(gè)單元unit_array(i, j)和第i+1行中的每一個(gè)單元unit_array(i+1, k)的最短距離 d。若 d＜1×10-6mm，則認(rèn)為兩單元在位置上鄰接；同時(shí)，第i行中的相鄰單元，例如：unit_array(i, j)和unit_array(i, j+1)天然具有位置鄰接關(guān)系。

按上述方法判斷所有單元的位置鄰接關(guān)系，并用有向圖表示出來(lái)，如圖 7(a)所示，有向圖在計(jì)算機(jī)中可使用鄰接矩陣存儲(chǔ)，存儲(chǔ)方式如圖7(b)所示。

圖7 候選連接圖及其計(jì)算機(jī)表示方式

(2) 根據(jù)流路對(duì)候選連接圖進(jìn)行剪枝，獲得單元連接圖。

對(duì)每一單元，根據(jù)候選連接圖，依次尋找與其位置鄰接者，判斷其是否與該單元在流路上連接。是則在候選連接圖上保留連接關(guān)系，否則剪枝（即將鄰接矩陣相應(yīng)位置上的1改成0）。

判斷兩單元是否在流路上連接的方法：

步驟1. 對(duì)各單元，求其內(nèi)部管道與各個(gè)外表面的公共邊。設(shè)計(jì)稱這些公共邊所圍成的截面為“腔”。這些截面是單元的入口或出口，如圖8所示。

圖8 求單元的入口/出口截面

步驟2. 判斷兩單元是否具有共同的“腔”：兩單元的“腔”是否具有相同的包圍盒(xmin, ymin, zmin, xmax, ymax, zmax)，即|xmin-x′min|+|yminy′min|+|zmin-z′min|+|xmax-x′max|+|ymax-y′max|+ |zmax-z′max|＜10-6（某個(gè)很小的正數(shù)）。若兩個(gè)單元具有共同的“腔”，意味著其中一個(gè)單元的出口是另一個(gè)單元的入口，即兩者具有流路上的連接關(guān)系。

按照上述方法剪枝后的連接圖即表示了葉片主要單元的連接關(guān)系，如圖9所示。

圖9 剪枝后的連接圖

(3) 根據(jù)指定的入口，形成有向連接圖。

指定冷氣入口，則按照?qǐng)D的深度優(yōu)先遍歷算法，即可按照流路順序排列所有主要單元。在遍歷過(guò)程中，根據(jù)途經(jīng)的先后關(guān)系，可將無(wú)向圖變?yōu)橛邢驁D。如圖10所示，該有向圖反映的就是主流路。

圖10 指定入口后形成有向連接圖

為符合設(shè)計(jì)習(xí)慣，最終生成包含單元和“腔”的流路連接圖，將流路上相鄰兩單元間的“腔”單獨(dú)編號(hào)，并連同兩個(gè)相鄰單元編號(hào)保存在數(shù)組中，如圖11所示。

圖11 “腔”與相鄰單元關(guān)系的存儲(chǔ)方式

3 單元數(shù)據(jù)提取方法

在葉片分塊、較自動(dòng)判斷各單元連接關(guān)系的基礎(chǔ)上，用戶指定各單元類型，程序依次計(jì)算各單元分析所需數(shù)據(jù)，并按照指定格式輸出。

實(shí)現(xiàn)方法為：

(1) 從用戶指定的入口開始，沿流路依次遍歷各單元，由用戶指定單元類型（包括T01, T03, T04, T05, T08, T09, T14, T15類型）；

(2) 按照不同類型單元要求，依次計(jì)算各單元傳熱分析數(shù)據(jù)。

流路判斷有向圖基于二維位置鄰接矩陣通過(guò)非遞歸算法實(shí)現(xiàn)圖的深度優(yōu)先遍歷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)冷氣流路的自動(dòng)判斷，如圖12所示。

圖12 圖的深度優(yōu)先遍歷非遞歸算法實(shí)現(xiàn)

單元體傳熱數(shù)據(jù)提取的方法：

(1) 對(duì)于結(jié)構(gòu)未被破壞的單元（氣膜孔，沖擊孔單元），數(shù)據(jù)的提取采用特征讀取的方式進(jìn)行；

(2) 對(duì)于結(jié)構(gòu)被破壞（即切割出來(lái)的單元），采用幾何特征識(shí)別的方式進(jìn)行計(jì)算和提??；

(3) 對(duì)于結(jié)構(gòu)部分破壞（尾縫單元），采用幾何特征識(shí)別和特征讀取相結(jié)合的方式進(jìn)行計(jì)算。

以T04單元為例，T04單元定義：具有旋轉(zhuǎn)和換熱的180°π形彎管單元，如圖13所示。

圖13 T04單元示意圖

T04單元傳熱數(shù)據(jù)的提取是將T04單元等效成光滑彎管，采用幾何特征識(shí)別的方式進(jìn)行計(jì)算和提取，如圖14所示。

其具體實(shí)現(xiàn)方式為：首先查找單元體所有的面，并將其存儲(chǔ)在所建立uf_list_p_t鏈表型指針中，形成一個(gè)面的集合M。從集合中按照面類型查找，可以找到平面集合A，和非平面集合B，它們與集合M的關(guān)系為A∪B=M。

其中：

(1) {M=mi∣i=1,2,…, n}，M是一個(gè)非空的有限集合，其中的元素是該T04單元實(shí)體上所有的面，是該單元實(shí)體面的集合。

(2) {A=ai∣i=1,2,…, p, p＜n}，A也是一個(gè)非空的有限集合，它是實(shí)體面集合M的非空子集，其中的元素是該T04單元實(shí)體上所有的平面，包括T04單元冷氣入口和出口所在的端面，轉(zhuǎn)彎段的上頂面等。

(3) {B=bi∣i=1,2,…, n}，B同樣是一個(gè)非空的有限集合，是A在M中的補(bǔ)集，使用公式表示為CsB=M-A。

當(dāng)完成平面初步分類后，進(jìn)而從集合A中遍歷元素，通過(guò)函數(shù)詢問(wèn)其包圍盒，包圍盒在y軸方向最小的元素s為T04單元的底平面，即單元冷氣入口和出口所在的端面，其中s∈A。從集合M中刪除底面 s，按照面是否連接的條件判斷，將鏈表集合中剩余面分成兩個(gè)集合D和E，詢問(wèn)其體的包圍盒，令ly=ymax-ymin，其中l(wèi)y較大的集合D是彎管外環(huán)面的非空集合，如圖15(a)所示，ly較小的集合E是彎管內(nèi)環(huán)面的非空集合，如圖15(b)所示。

對(duì)于進(jìn)口與出口等線元素集合的查找與篩選，采取與面集合相類似的方式進(jìn)行，以入口、出口識(shí)別為例，簡(jiǎn)述篩選過(guò)程，實(shí)現(xiàn)方式為首先查找底面上所有的線元素，并將其存儲(chǔ)在所建立 uf_list_p_t鏈表型指針中，形成一個(gè)線的集合L。從集合L中遍歷元素，并按照線是否連接的條件判斷，將鏈表集合中的元素分成若干個(gè)元素集合 L0, L1, L2,…,詢問(wèn)其體的包圍盒，令lx=xmax-xmin，其中l(wèi)x較大的集合L0是底面外環(huán)的非空集合，予以刪除，剩下的兩個(gè)線元素集合L1和L2分別為入口和出口環(huán)的非空集合。

通過(guò)以上的方法實(shí)現(xiàn)了T04節(jié)流單元線和面元素的篩選過(guò)程，表1是該T04單元所需提取的傳熱數(shù)據(jù)，對(duì)于不同的數(shù)據(jù)基于之前確定的線面集合，并作出輔助的點(diǎn)、線、面，實(shí)現(xiàn)各個(gè)數(shù)據(jù)的提取。

圖15 T04單元內(nèi)外環(huán)面示意圖

表1 T04單元的傳熱分析數(shù)據(jù)及計(jì)算方法

以數(shù)據(jù)進(jìn)口段管寬度b0是為例，簡(jiǎn)述單個(gè)數(shù)據(jù)的提取與近似過(guò)程，b0為進(jìn)口截面與管道中弧面交線長(zhǎng)度，如圖 16中虛線與進(jìn)口腔的交線段部分，取進(jìn)口腔隔肋與節(jié)流單元底面交線的中點(diǎn)并連線，得到圖中所示兩條直線段，從中可見，其長(zhǎng)度與虛線段長(zhǎng)度近似，故將其長(zhǎng)度作為所提取b0的長(zhǎng)度。在完成所有節(jié)流單元的數(shù)據(jù)提取工作后，以.txt格式對(duì)傳熱數(shù)據(jù)文件進(jìn)行輸出，文件包含每個(gè)節(jié)流單元的類別、幾何信息和位置信息，用于后續(xù)的傳熱分析計(jì)算，如圖17所示。

圖16 彎管寬度b0計(jì)算

圖17 傳熱分析數(shù)據(jù)提取輸出文件

4 數(shù)據(jù)提取的程序?qū)崿F(xiàn)

基于以上研究工作，本文在Siemens UG NX 7.5平臺(tái)上，采用Visual Studio 2012開發(fā)環(huán)境，通過(guò)UG Open API工具開發(fā)了渦輪氣冷葉片傳熱分析數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)，界面及葉片分析模型如圖 18所示。

圖18 渦輪氣冷葉片傳熱數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)界面及模型實(shí)例

該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的渦輪氣冷葉片進(jìn)行細(xì)節(jié)特征抑制、節(jié)流單元?jiǎng)澐?、冷氣流路自?dòng)判斷與顯示、單元數(shù)據(jù)自動(dòng)提取與輸出及節(jié)流單元網(wǎng)絡(luò)圖的繪制等功能，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖19所示，目前該系統(tǒng)已在某設(shè)計(jì)所得到初步應(yīng)用。

圖19 渦輪氣冷葉片傳熱數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果

5 結(jié) 束 語(yǔ)

本文針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪氣冷葉片設(shè)計(jì)提出了傳熱分析數(shù)據(jù)提取的方法，并基于UG平臺(tái)，開發(fā)出渦輪氣冷葉片傳熱數(shù)據(jù)提取系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)葉片節(jié)流單元?jiǎng)澐?、單元連通關(guān)系自動(dòng)判斷和傳熱數(shù)據(jù)自動(dòng)提取功能。通過(guò)UG平臺(tái)的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了由設(shè)計(jì)模型提取分析數(shù)據(jù)的突破，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)的效率與準(zhǔn)確性。同時(shí)，軟件系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了單元連通關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖繪制和傳熱分析數(shù)據(jù)文件輸出的功能。本軟件系統(tǒng)已應(yīng)用于某型渦輪葉片的傳熱設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，取得了良好效果。

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Research on Heat Transfer Analysis Data Extraction for Air-Cooled Turbine Blade

Fu Guanghui, Xi Ping, Zhang Baoyuan, Li Jixing

(School of Mechanical Engineering and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China)

Pipe-net calculation of air-cooled turbine blade is the important segment of air-cooled turbine blade heat transferring design, aiming at the requirement on heat transfer design for air-cooled turbine blades, the method of heat transfer analysis data extraction for air-cooled turbine blade model is proposed, which include the algorithms of computing units division, automatic judgment of air path, network diagram generation and data automatic extraction for heat transfer analysis, etc. Combined with the characteristics of air-cooled turbine blade structure, a data extraction system for heat transferring analyzing was developed based on UG Open API. The functions of extracting heat transfer analysis data of air-cooled turbine blade for subsequent analysis and calculation has been achieved, and the automatic degree of heat transferring calculation has been heighten, and the modeling result validated the feasibility of our method.

computer application; aero-engine; air-cooled turbine blade; heat transfer analysis; data extraction

TP 391

A

2095-302X(2015)03-0384-08

2014-11-01；定稿日期：2014-11-23

付光輝(1988-)，男，遼寧撫順人，碩士研究生。主要研究方向?yàn)楫a(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能CAD技術(shù)。E-mail：fghpqrs678@163.com

席 平(1954-)，女，陜西西安人，教授，博士。主要研究方向?yàn)轱w行器數(shù)字化設(shè)計(jì)、復(fù)雜曲面造型、知識(shí)工程。E-mail：xiping@buaa.edu.cn