201505-使用谐波平衡法的燃气轮机模拟技术

1、使用谐波平衡法的燃气轮机模拟技术,陈 川 Chuan Chen,Overview 使用稳态混合面（mixing plane）方法及谐波平衡（Harmonic Balance）法对GE E3透平第一级进行叶片冷却模拟 Objective 研究叶片排间的相互作用，以及时间平均解的瞬态影响 Findings 使用稳态混合面方法预测的叶片温度与使用谐波平衡法得到的瞬态解有较大的区别,摘要,在蒙特利尔的2015 IGTI Turbo Expo会议上，将展示两级叶片模拟结果 Wednesday, 8:0010:00am Session 44-3: Unsteady Flows in Turbines II

2、I,2015 IGTI Turbo Expo,NASA/GE Energy Efficient Engine (E3)，两级高压中等负荷透平 在实验台上进行了高压透平空气动力学性能的测试 全尺度实验，包含了热空气及冷却流动 实验详情可以参考： “Energy Efficient Engine High Pressure Turbine Component Test Performance Report,” NASA-CR-168289,关于NASA/GE E3 透平,使用谐波平衡法可以快速求解/预测旋转机械中周期性流动的非稳态特性 在频域重构控制方程，求解得到收敛的非稳态解 谐波平衡法应用广泛

3、，包含： 旋转机械 气动弹性力学 (颤振和极限环振荡) 气动声学,谐波平衡法基础,假定我们在某个位置点取样压力值,在频域中考虑问题,动叶转动时，采样点压力会振荡,在频域中考虑问题,该振荡曲线可以用正弦函数描述,在频域中考虑问题,傅里叶系数,时间平均值,一次谐波,传统的瞬态求解方法可以最后收敛到周期性变化的非稳态解，但是计算代价很大 谐波平衡法能快速的收敛到非稳态解,在频域中考虑问题,Red: Time Domain Blue: Harmonic Balance,Dynamics杂志中关于谐波平衡法的文章,880万多面体网格单元 6层边界层网格,网格,多面体网格相比四面体网格的优点体现在: 更小

4、的网格扭曲 更好的适体性 更精确的网格面上数据传递和计算 更均匀的体网格,多面体网格的优点,不论流动方向如何，多面体网格面都与流动方向垂直,相比较四面体网格，多面体网格只需要更少的网格数就能消除网格依赖性 测试显示，与多面体网格相比，需要8倍的四面体网格才能消除网格依赖,多面体网格的优点,网格,网格,网格,网格,首先使用稳态混合面模型进行模拟 稳态耦合隐形求解器 Spalart-Allmaras湍流模型 格点序列初始化 Solution driver 连续方程收敛加速器,模拟方法,然后以稳态计算结果作为初场进行非稳态求解 谐波平衡求解器 每排4 modes Spalart-Allmaras湍流

5、模型,模拟方法,结果对比：出口绝对总压,稳态,谐波平衡,时均绝对总压局部最大相差20kPa(最大可达时均总压值的10%),结果对比：出口绝对总压差值,结果对比：出口总温,稳态,谐波平衡,时均总温温差局部最大相差25K(最大可达时均总温值的5%),结果对比：出口总温温差,稳态计算所得温度场,结果对比：稳态计算出口温度,使用谐波平衡法计算所得的温度场,结果对比：非稳态计算出口温度,Rotor frame of reference,结果对比：出口Modified Diffusivity,稳态,谐波平衡法,时均Modified Diffusivity差值局部最大可达时均值的60%,结果对比：出口Mod

6、ified Diffusivity差值,结果对比：出口旋流,稳态,谐波平衡法,时均旋流差值局部最大超过35,结果对比：出口旋流差值,结果对比：动叶表面温度,稳态,谐波平衡法,时均动叶片压力面表面温度差值局部最大超过50K,结果对比：动叶片表面温度差值,谐波平衡法求解所得的瞬态温度场,结果对比：动叶片瞬态表面温度,Rotor frame of reference,结果对比：动叶片表面温度,稳态,谐波平衡法,时均动叶片吸力面表面温度差值局部最大超过90 K,结果对比：动叶片表面温度差值,使用谐波平衡法求得的瞬态温度场,结果对比：动叶片瞬态表面温度,Rotor frame of reference,

7、结果对比：叶片通道表面温度,稳态,谐波平衡法,结果对比：叶片通道表面温度,稳态,谐波平衡法,时均叶片流道表面温度局部差别不大,结果对比：叶片流道表面温度差,Little unsteady temperature content,结果对比：叶片流道瞬态表面温度,结果对比：叶片流道中间截面温度,稳态,谐波平衡法,使用谐波平衡法求解的流道中间界面瞬态温度场,结果对比：叶片流道中间截面瞬态温度,结果对比：Outlet Total Temperature Modal Content,硬件：Hardware Linux CentOS集群服务器 Intel Xeon E5-2680 2.7 GHz 每节点16核 每节点32 GB内存 稳态计算 96核4小时 谐波平衡法 (reduced mode set) 96核12小时,计算时间对比,谐波平衡法能够很好的扑捉瞬态流动特性，以及叶片排相互作用 使用谐波平衡法预测的时均叶片温度与稳态混合面方法所得温度有明显差别 推荐使用谐波平衡法精确预测时均物理量,总结,在蒙特利尔的2015 IGTI Turbo