計算流體動力學(xué)在航空葉輪設(shè)計及優(yōu)化過程中的要點(diǎn)

唐元恒，鄒剛，王占勇

計算流體動力學(xué)在航空葉輪設(shè)計及優(yōu)化過程中的要點(diǎn)

唐元恒，鄒剛，王占勇

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

計算流體動力學(xué)作為葉輪設(shè)計的重要方法，正在逐步地完善中，并且應(yīng)用越來越廣泛。在航空葉輪設(shè)計中運(yùn)用計算流體動力學(xué)對于葉片型面、幾何測量及其他物體輪廓進(jìn)行準(zhǔn)確測量具有重要意義。

航空；葉輪設(shè)計；計算流體學(xué)；優(yōu)化

計算流體動力學(xué)目前廣泛地運(yùn)用于航空器械的設(shè)計中，作為一項(xiàng)先進(jìn)的計算方法，為了發(fā)揮它的最大效用，要對其方法進(jìn)行不斷地優(yōu)化，提高它的幾何能力，有效地提高相關(guān)機(jī)械的運(yùn)行效率，可推動我國航空事業(yè)更好地向前發(fā)展。

1 計算流體動力學(xué)在葉輪設(shè)計中應(yīng)用的意義

計算流體動力學(xué)（CFD），是用電子計算機(jī)和離散化數(shù)值的方法對流體學(xué)問題進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對流體學(xué)問題進(jìn)行分析這種思想最早可以追溯到20世紀(jì)初，理查德就提出了這種想法。但是由于當(dāng)時技術(shù)條件落后以及問題自身的復(fù)雜性，導(dǎo)致這種想法讓人們忽視，并未得到實(shí)際的發(fā)展和運(yùn)用。直到40年代中期計算機(jī)問世之后，運(yùn)用電子計算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬和計算才逐步成為現(xiàn)實(shí)。雖然計算機(jī)流體學(xué)的發(fā)展歷史并不算長，但是卻已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到相關(guān)領(lǐng)域，并得到長足的發(fā)展。

計算流體動力學(xué)在航空葉輪設(shè)計中的應(yīng)用比較多，主要是采用了三維方式對葉輪機(jī)械模型進(jìn)行相關(guān)的計算與研究。CFD只是為理解葉輪機(jī)械內(nèi)部的流體學(xué)提供一種手段，不要低估計算流體動力學(xué)的作用但同時也不要對它估計過高。當(dāng)前，運(yùn)用計算流體動力學(xué)來對航空設(shè)計中的相關(guān)數(shù)值進(jìn)行求解已經(jīng)成為設(shè)計分析的一種重要手段，特別是計算流體學(xué)在氣動設(shè)計以及發(fā)動機(jī)數(shù)值的仿真實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)是一種重要的模擬實(shí)驗(yàn)手段。

計算流體動力學(xué)在航空葉輪設(shè)計中的應(yīng)用不僅可以提高發(fā)動機(jī)的性能，還可以延長發(fā)動機(jī)的使用年限，縮短研發(fā)時間，減少研發(fā)投資的費(fèi)用，降低投資的相關(guān)風(fēng)險。葉輪在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛，但是必須清楚地了解葉輪的工作環(huán)境，葉輪是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)高溫高壓下進(jìn)行工作的，由于葉輪的工作性質(zhì)和工作環(huán)境決定了葉輪的性能和質(zhì)量相比其他零部件要求要高的多。

近三十年來，航空渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)水平獲得了較大的提高，其中葉輪機(jī)的性能獲得了較大的改善。葉輪機(jī)包括：高低壓渦輪、高低壓壓氣機(jī)及風(fēng)扇，葉輪機(jī)的性能對整個發(fā)動機(jī)的性能起著決定性的作用，葉輪機(jī)性能的好壞直接影響著發(fā)動機(jī)的性能、使用時間、成本、維修、研發(fā)時間等。葉輪機(jī)的更新直接影響著發(fā)動機(jī)的研制。因此，提高葉輪機(jī)的性能成為改進(jìn)發(fā)動機(jī)的重要手段，在葉輪機(jī)的改進(jìn)實(shí)驗(yàn)中多采用計算流體動力學(xué)的方法。葉輪在生產(chǎn)制造過程中由于要受到技術(shù)條件以及各種外界條件的限制，導(dǎo)致生產(chǎn)的葉片會出現(xiàn)型面旋轉(zhuǎn)不對稱、葉片大小有誤差等問題，這直接影響了機(jī)械設(shè)備的工作效率。所以，在葉輪設(shè)計中必須加大CFD的運(yùn)用，保證機(jī)械設(shè)計的科學(xué)合理性及機(jī)械日后的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 計算流體動力學(xué)在航空葉輪設(shè)計中的要點(diǎn)

到目前為止CFD的三維設(shè)計應(yīng)用是CFD技術(shù)最成功的應(yīng)用。葉輪設(shè)計中運(yùn)用計算流體動力學(xué)不僅縮短了設(shè)計的時間，還可以進(jìn)行相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)，對其數(shù)值進(jìn)行試驗(yàn)試行，減少了研究經(jīng)費(fèi)，更好地促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，推動技術(shù)設(shè)備的更新?lián)Q代，更好地方便人們的生產(chǎn)和生活。目前，CFD技術(shù)已經(jīng)廣泛的運(yùn)用到船舶、動力、化工、核能、建筑以及食品研發(fā)領(lǐng)域。

2.1 三維葉型設(shè)計在航空葉輪設(shè)計中的運(yùn)用

在航空渦輪設(shè)計中，CFD的三維設(shè)計一直是一個不可替代的重要手段，設(shè)計師一般采用三維建模的方法對葉輪機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提高葉輪機(jī)的性能，保證它的流動結(jié)構(gòu)，對葉輪機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。三維設(shè)計是新一代數(shù)字化、虛擬化及智能化設(shè)計平臺的基礎(chǔ)，它是建立在平面和二維設(shè)計的基礎(chǔ)上，讓設(shè)計目標(biāo)更加的立體化、更加形象化的一種新的設(shè)計方法。在航空葉輪設(shè)計中運(yùn)用三維設(shè)計的方法，不僅能夠促進(jìn)航空葉輪設(shè)計實(shí)驗(yàn)更好更快的運(yùn)行，還可以減少設(shè)計的經(jīng)費(fèi)損耗，降低研發(fā)投資的經(jīng)費(fèi)，更形象直觀的進(jìn)行試驗(yàn)，讓人們直接看到設(shè)計成果，看到新技術(shù)、新設(shè)備的效果。運(yùn)用CFD方法，可以確定航空葉輪機(jī)械的性能參數(shù)，如其對應(yīng)的損失、負(fù)荷、堵塞分布等，同時可以指出其流體力學(xué)在航空葉輪設(shè)計中的成因，分析其幾何關(guān)系，讓人們直觀地了解機(jī)械設(shè)備的性能，在最大程度上發(fā)揮航空葉輪的效能。

2.2 幾何復(fù)雜性的考慮

在航空葉輪設(shè)計實(shí)驗(yàn)中CFD方法除了對葉柵通道流動進(jìn)行模擬外，還需要對葉輪機(jī)的許多幾何和流動的復(fù)雜性進(jìn)行正確模擬，以便更好對相關(guān)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。如在航空機(jī)械設(shè)計中的渦輪冷卻氣與主流的相互作用；帶冠渦輪轉(zhuǎn)子和帶圍帶的靜子的泄露流動等。幾何不是一層不變的，幾何的復(fù)雜性牽扯的流體質(zhì)量流量其實(shí)并不多，但是不能忽略這些因素的影響，很可能因?yàn)閺?qiáng)的非線性作用對主流產(chǎn)生重要影響。如葉輪中葉片高溫高壓高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)和工作環(huán)境，如若在運(yùn)行過程中壓力值發(fā)生變化，將會極大地影響葉片的負(fù)荷分布情況以及級間的匹配。

2.3 多級流動的模擬在航空葉輪設(shè)計中的要點(diǎn)

在航空葉輪設(shè)計中多采用CFD的方法，有效地減少了模擬出錯，多級流動模擬技術(shù)是航空葉輪機(jī)風(fēng)扇設(shè)計中采用最多的方法，對充分做好葉片的匹配工作，實(shí)現(xiàn)機(jī)械內(nèi)部系統(tǒng)優(yōu)化，對葉排的合理轉(zhuǎn)換具有重大的作用，同時還能對多級壓力機(jī)、葉片排之間的匹配設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，在葉片排間實(shí)驗(yàn)時采用多級流動模擬方法，減少實(shí)驗(yàn)和設(shè)計的誤差，保證葉片的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，促進(jìn)葉輪機(jī)的正常運(yùn)行，以便相關(guān)設(shè)計人員能準(zhǔn)確掌握航空葉輪設(shè)計中的要點(diǎn)，最大程度地發(fā)揮其功用。

3 計算流體動力學(xué)在航空葉輪設(shè)計中的優(yōu)化內(nèi)容

計算流體動力學(xué)技術(shù)的發(fā)展是建立在計算機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)上的，上世紀(jì)中葉電腦的誕生為計算機(jī)技術(shù)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)前隨著計算機(jī)技術(shù)的完善，為CFD技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支持，CFD技術(shù)有了突破性的發(fā)展。

三維葉輪機(jī)械的設(shè)計是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作，需要設(shè)計人員熟悉掌握相關(guān)計算流體動力學(xué)的相關(guān)知識及工作原理，把握設(shè)計中的技術(shù)要點(diǎn)，了解航空機(jī)械流動結(jié)構(gòu)的特性，避免葉輪機(jī)械設(shè)備流動不合理情況的出現(xiàn)。利用三維建模的方式對航空葉輪機(jī)械設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化是最常見的，但是一項(xiàng)技術(shù)也有它的優(yōu)缺兩面性，它有自己的適用范圍，在它的合理范圍內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化提高機(jī)械的性能，有效的提高其應(yīng)用效果。在對航空葉輪進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化的時候，需要應(yīng)用相關(guān)的機(jī)械技術(shù)，不能過于依賴設(shè)計人員的主觀經(jīng)驗(yàn)，一定要全面客觀的進(jìn)行相關(guān)設(shè)計實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，避免出錯。我國計算流體動力學(xué)的相關(guān)研究起步較晚，仍然處在探索階段，所以在一定范圍內(nèi)還存在許多的限制。

4 結(jié)束語

計算流體動力學(xué)在在航空發(fā)電機(jī)葉輪機(jī)的設(shè)計中作用日益突出，應(yīng)該加大CFD在航空葉輪機(jī)設(shè)計中的運(yùn)用，將CFD真正地從理論方法轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際應(yīng)用，在對該方法進(jìn)行完善創(chuàng)新的同時，促進(jìn)我國航天事業(yè)健康發(fā)展。

[1]周燕佩，徐力平.計算流體動力學(xué)在航空葉輪機(jī)械中的應(yīng)用[C]//中國航空學(xué)會21世紀(jì)航空動力發(fā)展研討會論文集.北京：中國航空學(xué)會.2000.

[2]張健.計算流體力學(xué)在航空葉輪機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用[J].航空科學(xué)技術(shù)，1999（4）：19-22.

Application and Optimization of Computational Fluid Dynamics in Aviation Impeller Design

TANG Yuan-heng，ZOU Gang，WANG Zhan-yong
（Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Campus，Qingdao Shandong 266041，China）

Computational fluid dynamics is an important method for impeller design.It is becoming more and more mature and perfect.It is widely used in computational fluid dynamics in the design of air impeller for the study of blade profile，geometric measurement and other object contours.Accurate measurement is of great significance.

aviation；impeller design；computational fluidology；optimization

V231.3

A

1672-545X（2017）07-0067-02

2017-04-21

唐元恒（1974-），男，山東萊蕪人，碩士研究生，工程師，研究方向：裝備綜合保障。