[发明专利]一种涡轮叶片耦合计算模型网格划分方法和装置

说明书

本发明公开一种涡轮叶片耦合计算模型网格划分方法和装置，包括以下步骤：步骤S1、建立单层热障涂层的三维固体模型；步骤S2、建立主流和内冷通道的三维流体模型；步骤S3、根据三维固体模型，耦合涂层与叶片的交界面网格，生成固体域；步骤S4、根据三维流体模型，耦合流体与固体域的交界面网格，生成流体域；步骤S5、对关注的表面和较薄的位置进行局部网格加密，同时对流体域中除周期面和流体进出口面之外的全部面设置边界层。采用本发明的技术方案，能够模拟真实工况下涂层喷涂对叶栅通道流通面积及通道内流动特性的影响，解决了热障涂层隔热性能参数不全、各层结构模拟不精细的问题。

技术领域

本发明属于燃气发动机涡轮叶片技术领域，具体涉及一种带热障涂层的涡轮叶片耦合计算模型网格划分方法和装置。

背景技术

航空发动机涡轮叶片冷却技术、涂层以及材料是保证叶片在更高涡轮前温度下长期可靠运行的关键。为了使发动机在尺寸小、重量低的情况下获得更高的性能，涡轮前温度的不断提升，远高于材料的熔点，目前单独依靠冷却技术已经无法满足，必须在叶片表面敷涂热障涂层，提高叶片表面的热阻，阻碍高温燃气向涡轮叶片传热达到隔热的效果，进而提高叶片的耐温能力。热障涂层技术依靠陶瓷材料优越的耐高温、耐腐蚀、耐磨损等性能正逐渐被重视和应用，具有很强的应用前景。因此准确模拟出热障涂层结构的隔热性能以及其对带气膜叶片换热特性的影响具有至关重要的作用。

目前针对涡轮叶片表面敷涂的热障涂层结构主要是在CFX中进行模拟的，如图2所示，在流体与叶片的交界面处设置一层一定厚度的薄壁结构，并赋予其热障涂层材料特定的物性参数。值得注意的是，在计算过程中该薄壁结构被认定为是虚拟的，即在交界面上设置一个虚拟的导热热阻，其中热阻值是根据实现给定的涂层厚度和导热系数确定的。由于真实涡轮叶片在使用过程中，热障涂层喷涂在叶片表面，其厚度变化会改变叶栅通道的流通面积，叶片的流动换热特性存在差异，不利于实现热障涂层对叶片耦合换热影响的精准分析。

典型的热障涂层包括陶瓷层、粘结层和氧化层。各层材料的热物性不同，传统模拟方法仅能根据等效热阻的思路建立一层等效的涂层结构，而难以实现多层结构的详细模拟。这种方法仅能得到金属基底表面的流动和温度等参数，难以真正得到涂层各层结构的隔热及换热特性，有很大的局限性

发明内容

本发明旨在解决现有技术的不足，提出一种带热障涂层的涡轮叶片耦合计算模型网格划分方法和装置，能够模拟真实工况下涂层喷涂对叶栅通道流通面积及通道内流动特性的影响，解决了热障涂层隔热性能参数不全、各层结构模拟不精细的问题，可以灵活改变涂层形状，为研究多层涂层结构及涂层磨损、变形等因素对叶片换热特性的影响提供了便利。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种涡轮叶片耦合计算模型网格划分方法，包括以下步骤：

步骤S1、建立单层热障涂层的三维固体模型；

步骤S2、建立主流和内冷通道的三维流体模型；

步骤S3、根据三维固体模型，耦合涂层与叶片的交界面网格，生成固体域；

步骤S4、根据三维流体模型，耦合流体与固体域的交界面网格，生成流体域；

步骤S5、对关注的表面和较薄的位置进行局部网格加密，同时对流体域中除周期面和流体进出口面之外的全部面设置边界层。

作为优选，步骤S1中，基于低压涡轮导叶的叶片外表面形状，建立单层热障涂层的三维固体模型。

作为优选，步骤2中，建立主流和内冷通道的三维流体模型，包括：

根据冷气流动方向，建立导叶的冷气进气腔；

根据导叶缘板位置，建立主流进出口面和两侧面；