[发明专利]基于体积力模型的叶轮机模拟、失稳预测方法和装置

说明书

一种基于体积力模型的模拟方法、失速和喘振预测方法和装置，包括：对流体计算域中的网格点进行监测，基于监测到的当地流动参数确定所述网格点对应的所述流动区域的种类；基于所述流动区域的种类分别计算所述流动区域的理想速度场，再根据所述流动区域的理想速度场构建所述流动区域的体积力矢量场；根据所述流动区域的体积力矢量场，对流动控制方程组进行求解。本公开实施例采用基于当地流动参数的体积力模型，可应用于压气机失速和喘振快速模拟，且具有更好的普适性和准确性。

技术领域

本公开涉及但不局限于叶轮机技术领域，更具体地，涉及一种基于体积力模型的叶轮机模拟方法、失稳预测方法和装置。

背景技术

压气机是航空发动机的核心关键部件，压气机的作用是提高气流本身的静压和密度，为系统提供良好的推动力。以轴流压气机为例，轴流压气机由多级组成，每一级又分为转子和静子两部分。转子转动时对气流做功，提高气流的动能，为飞行产生推力。静叶在扩散气流的同时调整气流对下一级的进气角。没有稳定的气流环境，压气机就不可能获得预期的增压比和效率，不能为系统提够稳定持续的推动力。轴流压气机的气动不稳定状态分为喘振和旋转失速两种。旋转失速是沿压气机周向的非均匀流动状态，会显著降低涡扇发动机性能，而且一般认为旋转失速是喘振先兆。喘振是指气流沿压气机轴线方向发生的低频率、高振幅的气流振荡现象。这种低频率高振幅的气流振荡会导致压气机部件的强烈机械振动和热端超温。并在很短的时间内造成部件的严重损坏。

以失速和喘振为代表的气动失稳(文中也简称为失稳)问题严重影响着发动机的性能和可靠性。为了避免气动失稳问题对运行中的发动机造成危害，需要在设计阶段预测压气机的气动失稳特性。然而，气动失稳现象具有相当的复杂性，存在以旋转失速现象中失速团的周向旋转，以及喘振时部分叶高回流等现象为代表的典型三维、非定常的现象。捕捉和理解这些流动现象既需要足够的非定常的时间分辨率，还需要三维的空间精度。考虑到试验研究的风险性、高成本以及流场细节难以测量，全三维数值仿真方法是预测分析压气机气动失稳特性的重要手段。但是，气动失稳现象的强三维和强非定常性特征，使得仿真计算需要采用全通道网格、极小的时间步长和高精度的数值求解方法，在应用于航空发动机中的压气机时，这种仿真计算会耗费大量计算资源、计算时间，在设计迭代过程中难以接受。

发明内容

以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。

本公开实施例提供了一种基于体积力模型的叶轮机模拟方法，包括：

基于在叶轮机流体计算域的叶片区和非叶片区分别设置的多个网格点，按照设定时间间隔对所述流体计算域中的流动参数逐步迭代计算；

其中，基于所述叶片区中的网格点进行的逐步迭代计算如下：

根据初场中或上一步迭代得到的所述网格点位置的流动参数，确定所述网格点位置的流动状况；

基于所述流动状况确定所述网格点位置的理想速度场，根据所述理想速度场构建所述网格点位置的体积力矢量场；

根据所述体积力矢量场求解流动控制方程组，得到本步迭代的所述网格点位置的流动参数。

本公开实施例的叶轮机模拟方法除具有体积力模型方法具有的空间精度优势外，对压缩系统进行数值模拟所需要的网格比较稀疏，消耗的计算资源、计算时间远小于传统全三维数值仿真方法，并且能够最大限度地模拟不同流动状态的演化过程。

本公开实施例还提供了一种叶轮机失稳预测方法，包括：

根据如本公开任一实施例所述的叶轮机模拟方法得到叶轮机流体计算域中设置的网格点位置的流动参数随时间的变化情况；

根据所述网格点位置的流动参数随时间的变化情况确定所述流体计算域中设置的监测点位置的流动参数随时间的变化情况；

根据所述监测点的流动参数随时间的变化情况进行气动失稳预测。