離心壓氣機(jī)葉輪仿真模型的逆向建模技術(shù)

摘要：為了克服離心式壓氣機(jī)流場(chǎng)仿真過程中扭曲葉輪建模與網(wǎng)格劃分方面的困難，采用逆向技術(shù)完成葉輪仿真模型建立。該技術(shù)運(yùn)用Ansys BladeModeler完成實(shí)體模型的CAD前處理，運(yùn)用BladeGen完成壓氣機(jī)葉輪參數(shù)提取，將建立的葉輪仿真模型進(jìn)行壓氣機(jī)特性的CFD計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，完成確定模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證。結(jié)果表明：逆向建模技術(shù)可實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的壓氣機(jī)葉輪建模與快速的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。

關(guān)鍵詞：離心壓氣機(jī)；葉輪；逆向

離心壓氣機(jī)葉輪的扭曲構(gòu)造形式給CAD建模帶來一定困難，工程中往往借助逆向工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)其建模過程，逆向工程是利用三維掃描儀將實(shí)物組件進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)CAD模型的重構(gòu)，在國(guó)內(nèi)外已有很多關(guān)于該領(lǐng)域的研究[14]。然而隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，商用軟件平臺(tái)已經(jīng)開發(fā)出成熟的葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)與仿真全套系統(tǒng)[5]，上述方法已不能很好地結(jié)合該平臺(tái)的優(yōu)良設(shè)計(jì)與快速仿真工具，將逆向技術(shù)推向流體仿真計(jì)算領(lǐng)域成為亟待解決的問題[6]。本文采用逆向工程思想，利用Ansys BladeModeler完成實(shí)體模型的CAD前處理，運(yùn)用BladeGen完成壓氣機(jī)葉輪參數(shù)提取，通過壓氣機(jī)特性的仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比來確定模型準(zhǔn)確性。該方法突破性的功能是將原始葉輪模型提取參數(shù)，在專業(yè)的葉輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)逆向建模與再設(shè)計(jì)?？梢灾苯釉谝呀?jīng)公開的先進(jìn)離心壓氣機(jī)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析、設(shè)計(jì)以及模型的重構(gòu)。該方法充分結(jié)合CFD技術(shù)，對(duì)離心壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，極大的縮短壓氣機(jī)的產(chǎn)品開發(fā)周期，有效地占有市場(chǎng)，領(lǐng)導(dǎo)技術(shù)前沿，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 逆向建模技術(shù)流程

當(dāng)實(shí)際工程應(yīng)用中沒有得到實(shí)體壓氣機(jī)組件，或者無(wú)法進(jìn)行傳統(tǒng)的逆向工程測(cè)繪，僅提供某機(jī)型的三維CAD模型時(shí)，將壓氣機(jī)CAD模型導(dǎo)入BladeModeler中進(jìn)行特殊的幾何前處理；利用BladeGen軟件平臺(tái)完成葉輪參數(shù)提取；提取參數(shù)可以直接在Turbogrid軟件平臺(tái)下一鍵生成六面體網(wǎng)格，再利用CFX軟件中的Turbo分析功能完成壓氣機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算。得到流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，判斷模型建立的準(zhǔn)確性。

2 BladeModeler三維幾何模型前處理

2.1 切出葉輪子午流道面

將設(shè)計(jì)優(yōu)良的壓氣機(jī)葉輪原模型圖2（a）通過填充操作得到圖2（b）所示的流場(chǎng)仿真模型，再利用Extrude與Revolve相結(jié)合得到如圖2（c）所示的幾何旋轉(zhuǎn)體。將原始葉輪的主葉片、分流葉片與旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行組合，選擇切割對(duì)稱面，以旋轉(zhuǎn)體作為被切割對(duì)象，完成子午流道面的切出，得到如圖2（d）所示的效果。操作過程中務(wù)必保證所有模型均位于Z軸的正方向。

2.2 生成前處理幾何文件

選擇基準(zhǔn)面建立一個(gè)新坐標(biāo)系，依次完成子午面輪緣曲線、輪轂曲線、進(jìn)口曲線以及出口曲線的草圖建立。根據(jù)已建立的4個(gè)草圖，利用FlowPath功能建立葉輪流線。對(duì)于離心式扭曲葉輪需要添加多條流線。以新添加的流線為切割線，以主葉片與分流葉片為被切割對(duì)象，利用Sweep功能將流線繞Z軸360°旋轉(zhuǎn)切割葉輪，流線將葉輪切割成多個(gè)部分，選取主葉片與分流葉片的輪緣與輪轂側(cè)平面以及上述流線切割葉輪產(chǎn)在主輔葉片留下的切割面生成新的平面。得到如圖3所示的一個(gè)葉輪模型的輪緣線、輪轂線、流線以及葉輪的流線切線（面），這時(shí)抑制掉所有其它幾何模型并導(dǎo)出IGS格式的幾何文件。

3 BladeGen參數(shù)提取

3.1 選擇幾何文件

利用BladeGen的Data Import Wizard模塊將生成的IGS格式幾何文件導(dǎo)入。根據(jù)圖3標(biāo)記的曲線名稱，依次選取輪緣曲線、輪轂曲線、葉片切線，如圖4所示，在Main Blade，Layer 1模式下選擇葉輪曲線。要將每個(gè)流線的葉輪切面輪廓線均選取成功，并且要區(qū)分主葉片與分流葉片。

3.2 曲線編輯與切點(diǎn)選擇

選中Main Layler1中的一條曲線，曲線變?yōu)榧t色后點(diǎn)擊Edit Curves彈出一個(gè)對(duì)話框，在對(duì)話框中點(diǎn)擊Refit Curves選項(xiàng)又會(huì)彈出另一個(gè)對(duì)話框，這時(shí)只需要在新對(duì)話框中輸入點(diǎn)數(shù)即可，一般建議填寫最大值，按照上述方法依次修改其他Layer曲線，保證每條曲線都閉合。

選擇前緣（LE）與尾緣（TE）處的切點(diǎn)。需要自由確認(rèn)前緣的切點(diǎn)位置，未選擇切點(diǎn)位置時(shí)，輪緣處出現(xiàn)兩個(gè)紅色方框，整個(gè)葉輪切割線非常雜亂不續(xù)，通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵選擇兩個(gè)切點(diǎn)位置，選擇后方框立刻變成綠色，并且Layer01LE End前面出現(xiàn)綠色對(duì)勾所示。

3.3 模型建立與網(wǎng)格劃分

通過上述操作完成模型的逆向參數(shù)提取，在BladeGen中生成新模型，如圖5所示，可以在軟件中進(jìn)行葉形的進(jìn)一步調(diào)整，實(shí)現(xiàn)再設(shè)計(jì)。導(dǎo)入Turbogrid中進(jìn)行網(wǎng)格六面體網(wǎng)格劃分，如圖6所示。網(wǎng)格劃分結(jié)束后可進(jìn)行相應(yīng)的流體仿真計(jì)算。

4 準(zhǔn)確性驗(yàn)證

壓氣機(jī)特性線指恒定轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)壓比與效率隨流量的改變而變化的曲線。其中壓氣機(jī)壓比的計(jì)算為：

P2為壓氣機(jī)出口壓力，P1為壓氣機(jī)進(jìn)口壓力。等熵效率是指氣體由進(jìn)口壓力增加到出口壓力時(shí)，等熵壓縮功與實(shí)際消耗功之比。

式中Ws表示等熵壓縮功，Wtot表示實(shí)際消耗功，T1為壓氣機(jī)進(jìn)口溫度，T2為出口溫度，βt為漏氣損失系數(shù)，βdf為輪阻損失系數(shù)。

當(dāng)略去動(dòng)能變化時(shí)，得到：

圖7為單一轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)特性曲線對(duì)比圖，設(shè)計(jì)流量下仿真結(jié)果相對(duì)于實(shí)驗(yàn)值的誤差為3.9%。整體上，仿真與實(shí)驗(yàn)值吻合度較高，符合工程誤差要求，說明本文中所使用的模型與仿真方法較為合理。

5 總結(jié)

本文進(jìn)行了壓氣機(jī)葉輪仿真模型的逆向建模，構(gòu)建了逆向思維下的壓氣機(jī)葉輪仿真模型的建模流程，闡述了幾何模型前處理與參數(shù)提取技術(shù)的要點(diǎn)，進(jìn)行壓氣機(jī)特性的實(shí)驗(yàn)與仿真對(duì)比分析，得到以下結(jié)論：

1）使用Blade Modeler幾何前處理與BladeGen參數(shù)提取，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)良設(shè)計(jì)模型的再設(shè)計(jì)與快速提取。

2）將逆向法建立的幾何模型進(jìn)行整機(jī)性能仿真，得到結(jié)果與壓氣機(jī)特性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。單個(gè)轉(zhuǎn)速的相同流量下，最大誤差為3.9%，說明該逆向建模技術(shù)誤差合理，模型準(zhǔn)確。

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作者簡(jiǎn)介：宋震（1990），男，漢族，遼寧錦州人，工學(xué)碩士，江蘇科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院輪機(jī)工程專業(yè)，研究方向：船舶系統(tǒng)與設(shè)備振動(dòng)噪聲控制。