11-燃气轮机整机数值模拟-西工大-董素艳

1、燃气轮机整机数值模拟董素艳西北工业大学,Realize innovation.,Restricted Siemens AG 2017,.,研究背景,微型发动机的整机模拟,整机模拟对数值分析技术带来的挑战,结论,Agenda,.,研究背景,微型发动机的整机模拟,整机模拟对数值分析技术带来的挑战,结论,Agenda,研究背景,数值仿真技术在燃气轮机及航空发动机的设计过程中起着重要的作用。当前国内燃气轮机及航空发动机数值仿真设计主要基于部件级（将发动机按几何结构进行孤立划分，如压气机、燃烧室、涡轮、盘腔等）的模拟、按单一物理场（流场、温度场、结构应力、变形等）或者单一维度（一维、二维、三维等）进行数

2、值分析。先进燃气轮机及航空发动机设计中各部件间的干涉及各物理场间的耦合效应愈发突出。国外发动机公司充分认识到面向整机多物理场分析技术的重要性，很早就启动这方面的研究工作，目前均已拥有各自的面向整机分析的软件平台或技术，分别从不同耦合层面上实现了发动机整机的数值模拟，并极大提升了分析设计效率，对提高发动机的设计水平及核心竞争力有着重要意义。,同行相关工作（一）,计算域包括49排叶栅结构及燃烧室 采用APNASA及NCC两种求解器,同行相关工作（二）,计算域包括20度的周向的环段 采用CHIMPS软件平台,同行相关工作（三）,计算域包括主流通道及二次空气系统 采用Virtual Engine软件平

3、台,.,研究背景,微型发动机的整机模拟,整机模拟对数值分析技术带来的挑战,结论,Agenda,整机数值模拟带来的挑战,整机的几何结构非常复杂。体现在多级叶栅结构、燃烧室、高压涡轮的冷却结构方面。 包含的物理现象具有多样性。如在发动机中，气流通过进气道、压气机、燃烧室、涡轮、尾喷管等等结构，气流速度、压力、温度等参数发生剧烈变化、在燃烧室中发生复杂的化学反应。整个计算区域存在不同的静止、运动的子区域等等。 整机的数值模拟对应的计算网格的规模通常非常庞大，因此计算软件必须能解决大规模并行问题，并且具有高的并行效率。 ,Star-CCM+软件针对整机数值模拟的特点,几何方面： 同主流CAD软件通畅的

4、数据接口，如发动机行业主要使用的UG软件。降低了模型转换过程中的几何失真，使复杂几何模型的处理更加高效。 参数化能力。 网格方面： 支持多种网格单元（如四面体、五面体、六面体及多面体等）形式的混合网格技术，使得网格剖分更加灵活。操作模式比较友好，降低了用户使用难度。并行网格划分技术提升了网格划分效率。 求解技术方面： 具有多种求解器及算法。如针对低速流或高速流的流体求解器，针对固体结构的FEA求解器。 丰富的物理模型。如湍流、燃烧、辐射等均包含多种选择。 高性能的并行计算效率。 较丰富的耦合数据接口，尤其是求解器自耦合的功能。比如两个StarCCM+计算任务可以相互耦合。 程序的可开发定制性较

5、好。 后处理方面： 用户操作非常方便。 对于计算结果的图形显示及交互功能比较灵活。,.,研究背景,微型发动机的整机模拟,整机模拟对数值分析技术带来的挑战,结论,Agenda,微型发动机整机模拟算例,模拟对象：采用某型微型发动机的整机模型 研究目的：检验当前商用CFD软件在整机数值模拟中的适用性 计算模型及方法： 对几何结构基本没有简化，模拟的是完整发动机的整环结构。 计算域包含整个发动机的流体域及固体域。 真实混合物流体介质。 湍流模拟。 考虑燃烧及辐射。 考虑流体同固体结构的耦合传热。 输入条件： 发动机三维结构。 发动机的转速。 发动机燃油流量。,涡喷几何模型,涡喷几何模型,涡喷几何模型,

6、整机计算域,整机计算域,整机计算网格,燃烧室计算网格,压力分布,温度分布,温度分布,温度分布,温度分布,压力分布,燃料丙烷浓度分布,燃烧产物二氧化碳浓度分布,结果分析,对于微型发动机整机模拟需要输入的边界条件相对简单。通过数值分析后，得到比较模拟发动机的空气流量、推力、燃烧室的压力水平以及排气温度，基本同发动机的使用说明书上的参数相一致，这说明目前整机数值模拟技术已开始具备工程实用价值。 为了更具体地体现当前CFD技术在发动机部件模拟的精度，下面给出高压涡轮气热固耦合分析结果同实验数据的对比。,高压涡轮导叶流固耦合传热分析-实验验证,计算同试验对比-工况1,.,研究背景,微型发动机的整机模拟,整机模拟对数值分析技术带来的挑战,结论,Agenda,结论,发动机整机数值模拟可以给出更加详细及具体的发动机参数分布情况，对于更高性能发动机的设计具有更好的指导意义及参考价值。 在工程应用领域中实现对整机的数值模拟是一个技术发展趋势。 在理论方面，当前的CFD分析技术已基本满足发动机整机模拟的技术需求。 商业CFD软件由于集成了丰富的物理模型及CFD分析技术，便捷的几何处理及网格划分能力，是当前国内实现发动机整机数值模拟的一种快捷工具及手段。目前商用CFD软件的求解能力及分析精度已基本满足工程设计的需求，但