一种基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法

1.本发明涉及气膜冷却技术领域，尤其涉及一种基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法。


背景技术：

2.气膜冷却是一种高效的涡轮叶片冷却方法，它通过把温度较低的气体冷却剂输送到需要热防护的壁面上，并沿着高温气流的流向形成薄膜，这层薄膜把固体壁面与高温气流隔离开来，从而防止壁面因直接接触高温气流而超温损坏。圆柱形气膜冷却孔(入口孔型和出口孔型均为圆形)是应用最普遍也是最容易制造的气膜冷却孔型，但圆柱形气膜冷却孔的冷却效率和展向覆盖面积不足，研究人员通过开发不同类型的异型气膜冷却孔(一般入口孔型为圆型，出口孔型为非圆形的异形)来可以有效地减弱冷却射流在主流中的穿透，使冷却气膜更容易附着在壁面上，从而获得更好的气膜冷却效果。通过设计更好的出口孔型获得更好的气膜冷却效果是现今气膜冷却研究中的一个热点问题。
3.近年来，学者们相继提出并研究了不多的出口孔型，如圆槽形、扇形、心形、椭圆形，这些出口孔型的冷却效果和展向覆盖面积相较于圆柱型气膜冷却孔得到了很大程度地提升。在此基础上，一些学者也尝试对这些出口孔型的几何参数进行了优化设计。但面出口孔型的类型选择、孔型设计参数选择等诸多因素，难以得到最优异的孔型及其设计参数，或是在已有的孔型之外设计出优异的孔型。因此，本发明综合考量了不同类型的出口孔型的几何结构，提出一种新的出口孔型参数化设计方法，该方法可以涵盖设计出圆槽形孔、扇形孔、心形孔、椭圆形孔、八字形孔等多种孔型，并对其设计参数进行优化，还可能根据设计和优化需求，诞生出其它类型的优异孔型和气膜冷却孔几何结构参数，达到较高的气膜冷却效率，对指导工程实践有重要的意义。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种可以得到最优异的出口孔型k2及其设计参数，或是在已有的孔型之外设计出优异的孔型，达到较高的气膜冷却效率，节约了大量的设计、实验成本的基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法。
5.为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
6.一种基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法，包括如下步骤：
7.s1：确定气膜冷却孔的出口孔型的规定区域范围；
8.s2：根据规定区域范围添加多段参数化样条曲线的几何约束，确定出口孔型的多段参数化样条曲线表示；
9.s3：根据圆形的入口孔型和多段参数化样条曲线表示，建立气膜冷却孔的三维模型；
10.s4：对气膜冷却孔的三维模型进行仿真，得到最优的出口孔型。
11.所述规定区域范围为长l、宽w的长方形范围，所述l为1d～6d，所述w为1d～8d，d为
圆形入口孔型的直径。
12.所述s2中，出口孔型k2的多段参数化样条曲线为轴对称曲线，以气膜冷却孔出口孔型k2中心对称轴为x轴，气膜冷却孔宽度方向为y轴，建立直角坐标系，所述几何约束包括位于多段参数化样条曲线半边上的a、b、c、d四个约束点，所述a在直角坐标系上的坐标为(0，0)，所述b在直角坐标系上的坐标为(xb，w/2)，所述c在直角坐标系上的坐标为(l，yc)，所述d在直角坐标系上的坐标为(xd，0)，所述xb、yc、xd、l和w均为可优化的参数化变量，所述w为出口孔型(k2)的实际宽度，所述l为出口孔型(k2)的实际长度，其中0≤l≤l，0≤w≤w，0≤l≤l，0≤xb≤l，，0≤yc≤w/2，0≤xd≤l。
13.所述几何约束还包括位于a、b约束点之间多个约束点、位于b、c约束点之间多个约束点和位于c、d约束点之间多个约束点。
14.所述a、b约束点之间约束点包括b1、b2和b3，所述b、c约束点之间约束点包括c1、c2和c3，所述c、d约束点之间约束点包括d1、d2和d3，所述b1、b2、b3、c1、c2、c3、d1、d2和d3在直角坐标系上的坐标依次为(0，y2)、(x3，y3)、(x4，w/2)、(x6，w/2)、(x7，w/2)、(l，y8)、(l，y10)、(x11，y11)、(x12，y12)，其中，0≤y2≤w/2，0≤x3≤xb，0≤y3≤w/2，x3≤x4≤xb，xb≤x6≤l，x6≤x7≤l，yc≤y7≤w/2，yc≤y8≤y7，0≤y10≤yc，x12≤x11≤l，0≤y11≤y10，0≤x12≤l，0≤y12≤y11。
15.所述s2中，多段参数化样条曲线为椭圆形、长方形、扇形、心形或者v字形曲线。
16.所述s4中，通过仿真得到气膜冷却孔的最优的性能参数，对最优的性能参数进行加权求和，得到最优的出口孔型。
17.所述气膜冷却孔的性能参数包括基于面积平均的气膜冷却效率和气动损失系数cp
[0018][0019]
其中，tg为主流温度，tav为绝热壁面温度，tc为冷却流温度；
[0020]
基于面积平均的气膜冷却效率值
[0021][0022]
其中，a为气膜冷却孔出口下游平面面积；
[0023][0024]
其中，p1、ρ1、u1分别是计算域出口的质量平均总压力、平均密度和平均速度；
[0025][0026]
其中，mc、mh分别为冷流和主流的质量流量；p0,c,t、p0,h,t分别为冷流和主流入口质量平均总压。
[0027]
所述s4中，所述气膜冷却孔的三维模型采用计算流体力学的仿真软件进行仿真。
[0028]
所述计算流体力学的仿真软件为ansys。
[0029]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0030]
本发明的基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法，采用多段参数化样条曲线构建气膜冷却孔出口孔型，通过数值模拟、三维模型及三维模型仿真对多段参数化样条曲线的几何约束进行优化，进而得到性能优异的出口孔型。采用多段参数化样条曲线设计气膜冷却孔出口孔型，可以在规定区域范围内，自由定义出口孔型。在对多段参数化样条曲线上的一些约束点进行几何关联限制或者固定部分约束点，可以分别得到经典圆孔、椭圆形孔、圆槽形孔、扇形孔、心形孔、八字形孔等孔型，并对这些孔型结构参数进行优化设计。除此以外，如果放宽对多段参数化样条曲线约束点的限制，可以在现有孔型以外，获得更加丰富的孔型。在本设计方法的指导下，可以得到最优异的出口孔型及其设计参数，或是在已有的孔型之外设计出优异的孔型，达到较高的气膜冷却效率，节约了大量的设计、实验成本。
附图说明
[0031]
图1是本发明基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法的流程图。
[0032]
图2是本发明基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法的气膜冷却孔的三维模型图。
[0033]
图3是本发明基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法的多段参数化样条曲线图。
[0034]
图4是本发明基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法的多段参数化样条曲线的方形图。
[0035]
图5是本发明基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法的多段参数化样条曲线的扇形图。
[0036]
图6是本发明基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法的多段参数化样条曲线的心形图。
[0037]
图7是本发明基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法的多段参数化样条曲线的v字形图。
[0038]
图8是本发明基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法的用于气膜冷却模拟仿真的三维模型。
[0039]
图中各标号表示：
[0040]
k1、入口孔型；k2、出口孔型；n、冷流入口；z、主流道。
具体实施方式
[0041]
以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
[0042]
如本公开和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
[0043]
图1至图8示出了本发明基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法的一种实施例，本基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法包括如下步骤：
[0044]
s1：确定气膜冷却孔的出口孔型k2的规定区域范围；
[0045]
s2：根据规定区域范围添加多段参数化样条曲线的几何约束，确定出口孔型k2的多段参数化样条曲线表示；
[0046]
s3：根据圆形的入口孔型k1和多段参数化样条曲线表示，建立气膜冷却孔的三维模型；
[0047]
s4：对气膜冷却孔的三维模型进行仿真，得到最优的出口孔型k2。
[0048]
本基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法，采用多段参数化样条曲线构建气膜冷却孔出口孔型k2，通过数值模拟、三维模型及三维模型仿真对多段参数化样条曲线的几何约束进行优化，进而得到性能优异的出口孔型k2。采用多段参数化样条曲线设计气膜冷却孔出口孔型k2，可以在规定区域范围内，自由定义出口孔型k2。在对多段参数化样条曲线上的一些约束点进行几何关联限制或者固定部分约束点，可以分别得到经典圆孔、椭圆形孔、圆槽形孔、扇形孔、心形孔、八字形孔等孔型，并对这些孔型结构参数进行优化设计。除此以外，如果放宽对多段参数化样条曲线约束点的限制，可以在现有孔型以外，获得更加丰富的孔型。在本设计方法的指导下，可以得到最优异的出口孔型k2及其设计参数，或是在已有的孔型之外设计出优异的孔型，达到较高的气膜冷却效率，节约了大量的设计、实验成本。
[0049]
本实施例中，规定区域范围为长l、宽w的长方形范围，l为1d～6d，w为1d～8d，d为圆形入口孔型的直径。最优地，l为3d，w为3d。
[0050]
本实施例中，s2中，出口孔型k2的多段参数化样条曲线为轴对称曲线，以气膜冷却孔出口孔型k2中心对称轴为x轴，气膜冷却孔宽度方向为y轴，建立直角坐标系，几何约束包括位于多段参数化样条曲线半边上的a、b、c、d四个约束点，a在直角坐标系上的坐标为(0，0)，b在直角坐标系上的坐标为(xb，w/2)，c在直角坐标系上的坐标为(l，yc)，d在直角坐标系上的坐标为(xd，0)，xb、yc、xd、l和w均为可优化的参数化变量，w为出口孔型(k2)的实际宽度，l为出口孔型(k2)的实际长度，其中0≤l≤l，0≤w≤w，0≤l≤l，0≤xb≤l，，0≤yc≤w/2，0≤xd≤l。
[0051]
本实施例中，几何约束还包括位于a、b约束点之间多个约束点、位于b、c约束点之间多个约束点和位于c、d约束点之间多个约束点。在a、b约束点之间设置多个约束点，以便于调整样条曲线ab段的形状，在b、c约束点之间设置多个约束点，以便于调整样条曲线bc段的形状，在c、d约束点之间设置多个约束点，以便于调整样条曲线cd段的形状。
[0052]
本实施例中，a、b约束点之间约束点包括b1、b2和b3，b、c约束点之间约束点包括c1、c2和c3，c、d约束点之间约束点包括d1、d2和d3，b1、b2、b3、c1、c2、c3、d1、d2和d3在直角坐标系上的坐标依次为(0，y2)、(x3，y3)、(x4，w/2)、(x6，w/2)、(x7，w/2)、(l，y8)、(l，y10)、(x11，y11)、(x12，y12)，其中，0≤y2≤w/2，0≤x3≤xb，0≤y3≤w/2，x3≤x4≤xb，xb≤x6≤l，x6≤x7≤l，yc≤y7≤w/2，yc≤y8≤y7，0≤y10≤yc，x12≤x11≤l，0≤y11≤y10，0≤x12≤l，0≤y12≤y11。
[0053]
本实施例中，s2中，多段参数化样条曲线为椭圆形、长方形、扇形、心形或者v字形曲线。
[0054]
本实施例中，s4中，通过仿真得到气膜冷却孔的最优的性能参数，对最优的性能参数进行加权求和，得到最优的出口孔型(k2)。
[0055]
本实施例中，气膜冷却孔的性能参数包括基于面积平均的气膜冷却效率值(下文简称平均气膜冷却效率)和气动损失系数cp，
[0056][0057]
其中，tg为主流温度，tav为绝热壁面温度，tc为冷却流温度；
[0058]
基于面积平均的气膜冷却效率值
[0059][0060]
其中，a为气膜冷却孔出口下游平面面积；
[0061][0062]
其中，p1、ρ1、u1分别是计算域出口的质量平均总压力、平均密度和平均速度；
[0063][0064]
其中，mc、mh分别为冷流和主流的质量流量；p0,c,t、p0,h,t分别为冷流和主流入口质量平均总压。
[0065]
本发明致力于设计出能够使性气膜冷却孔性能优异的气膜冷却孔出口孔型，评价气膜冷却孔性能的参数有很多，包括平均气膜冷却效率，冷却均匀度，气动损失系统，高效吹风比范围等等，其中最主要的是平均气膜冷却效率和气动损失系统。本发明采用平均气膜冷却效率和气动损失系统作为优化气膜冷却孔的目标，但是不限制，在特定情况下，把其他气膜冷却孔性能评价指标，如冷却均匀度等参数作为优化目标。本发明采用平均气膜冷却效率和气动损失系统作为标准，进行双目标优化，平均气膜冷却效率权重0-1，气动损失系统的权重为1减去平均气膜冷却效率的权重。最优地，平均气膜冷却效率权重为0.7，气动损失系统权重0.3。
[0066]
本实施例中，s4中，气膜冷却孔的三维模型采用计算流体力学的仿真软件进行仿真。
[0067]
本实施例中，计算流体力学的仿真软件为ansys。
[0068]
本一种基于多段样条曲线的气膜冷却孔出口孔型设计方法用于涡轮叶片气膜冷却孔的设计，d代表入气膜冷却孔的入口孔型k1直径，d＝3mm；
[0069]
具体地，本设计方法包括：步骤一：根据涡轮叶片气膜冷却孔的设计、加工条件，确定气膜冷却孔出口孔型k2的规定区域范围，即出口孔型k1的最大长、宽边界范围。
[0070]
气膜冷却孔出口孔型k2的设计被限定在长l、宽w的长方形范围在内，气膜冷却孔出口孔型k2的最大长度l取值范围为1d～6d，一般可取3d；气膜冷却孔出口孔型k2的最大宽度w取值范围为1d～8d，一般可取3d。
[0071]
步骤二：以利用多段参数化样条曲线表示气膜冷却孔的出口孔型k2。
[0072]
如图2和图3所示，以气膜冷却孔出口孔型k2中心对称轴(即长度方向)为x轴，气膜冷却孔出口孔型k2宽度方向为y轴，建立直角坐标系。
[0073]
如图3所示，采用三段首尾相连的beizer曲线表示气膜冷却孔出口孔型k2的半边型线。除首、尾两个控制点(也称约束点)，每段beizer曲线中间各有三个控制点。
[0074]
三条beizer曲线分别为beizer曲线ab、beizer曲线bc和beizer曲线cd、三条beizer曲线一共13个控制点，编号从1-13。点1为a点，即气膜冷却孔出口孔型k2的设计起始点；在坐标轴上的位置为(0，0)；点5为b点，即气膜冷却孔出口孔型k2最宽位置点，在坐标轴上的位置为(xb，w/2)，xb为可优化的参数化变量，取值范围为0～l；点9为c点，即气膜冷却孔出口孔型k2右端顶点，在坐标轴上的位置为(l，yc)，yc为可优化的参数化变量，取值范围0～w/2；点13为d点，即气膜冷却孔出口孔型k2的设计终点，在对称轴上，在坐标轴上的位置为(xd，0)，xd为可优化的参数化变量，取值范围0～l。点2、3、4为beizer曲线ab的中间控制点，即点b1、b2、b3；点6、7、8为beizer曲线bc的中间控制点，即点c1、c2、c3；点10、11、12为beizer曲线cd的中间控制点，即点d1、d2、d3。
[0075]
将三段首尾相连的beizer曲线，以x轴为对称轴，镜像生成对称曲线。三段beizer曲线与其对称曲线共同围成气膜冷却孔出口孔型k2。
[0076]
为保证所绘制的气膜冷却孔出口孔型k2不超出规定的长l、宽w的长方形范围。对部分控制点的位置坐标加以限制。利用beizer曲线的切矢性，相关控制点的几何约束规则为：控制点2的x方向坐标为x2＝0，y方向坐标y2范围为0≤y2≤w/2；控制点3的x方向坐标为0≤x3≤xb，y方向坐标y3范围为0≤y3≤w/2；控制点4的x方向坐标x3≤x4≤xb，y方向坐标y4＝w/2；控制点6的x方向坐标为xb≤x6≤l，y方向坐标y6＝w/2；控制点7的x方向坐标为x6≤x7≤l，y方向坐标y7范围为yc≤y7≤w/2；控制点8的x方向坐标x8＝l，y方向坐标y8范围为yc≤y8≤y7；控制点10的x方向坐标为x10＝l，y方向坐标y10范围为0≤y10≤yc；控制点11的x方向坐标为x12≤x11≤l，y方向坐标y11范围为0≤y11≤y10；控制点12的x方向坐标为0≤x12≤l，y方向坐标0≤y12≤y11。
[0077]
一共包含l、w、y2、x3、y3、x4、xb、x6、x7、y7、y8、yc、y10、x11、y11、x12、xd共17个变量。
[0078]
当y2＝0，x3＝0，y3＝w/2，x4＝l/2，xb＝l/2，x6＝l/2，x7＝l，y7＝w/2，y8＝0，yc＝0，y10＝0，x11＝l，y11＝0，x12＝l，xd＝l时，如图2所示，三段beizer曲线与其对称曲线共同围成的气膜冷却孔出口孔型k2为椭圆形。以l、w为优化变量，可以任意形成长l，宽w的椭球。
[0079]
当y2趋近于w/2，x3＝0，y3＝w/2，x4趋近于0，x6趋近于l，x7＝l，y7＝w/2，y8趋近于w/2，x11＝l，x12＝l，xd＝l时，如图4所示，三段beizer曲线与其对称曲线共同围成的气膜冷却孔出口孔型k2为长方形。此时，与气膜冷却孔入口圆孔结合，放样生成的气膜冷却孔为圆槽形孔。
[0080]
以l、w为优化变量，可以任意形成长l，宽w的长方形孔。同时略微改变y2、x4、x6、y8的值，可以在长方形孔的四个角形成一定的倒圆角。
[0081]
当x11＝l，x12＝l，xd＝l，beizer曲线ab、cd为弧线时，如图5所示，三段beizer曲线与其对称曲线共同围成的气膜冷却孔出口孔型k2为扇形。以l、w、y2、x3、y3、x4、xb、x6、x7、y7、y8、yc、y10、y11为变量，可以设计出任意结构的扇形孔。
[0082]
当x11《l，x12《l，xd《l时，如图6所示，三段beizer曲线与其对称曲线共同围成的气膜冷却孔出口孔型k2为心形。l、w、y2、x3、y3、x4、xb、x6、x7、y7、y8、yc、y10、x11、y11、x12、xd为变量，可以设计出任意结构的心形孔。
[0083]
当一条beizer曲线的所有控制点都在一条直线上时，这条biezer曲线为一条直线，由此，当点1、2、3、4、5在一条直线上、当点5、6、7、8、9在一条直线上、当点9、10、11、12、13在一条直线上时，如图7所示，三段beizer曲线与其对称曲线共同围成的气膜冷却孔出口孔型k2为v字形。适当改变l、w、y2、x3、y3、x4、xb、x6、x7、y7、y8、yc、y10、y11的值，可以得到不同扩角、槽宽的v字形孔。
[0084]
步骤三：根据得到气膜冷却孔出口孔型k2与气膜冷却孔入口的圆形孔，采用曲面生成技术，如放样，构建气膜冷却孔三维模型。如图2所示，在solidworks中构建气膜冷却孔的三维模型。
[0085]
在solidworks中采用放样曲面的方法，利用气膜冷却孔入口和步骤二得到气膜冷却孔出口孔型k2，生成气膜冷却孔三维模型。
[0086]
步骤四：将气膜冷却孔三维模型和冷流入口n、主流道z一起生成用于气膜冷却模拟仿真的三维模型，如图8所示。
[0087]
将用于气膜冷却模拟仿真的三维模型导入ansys(有限元分析元件)，选取计算网格数量为220万的网格模型。热主流与冷却流均采用理想气体，入口均采用等速度入口，主流热流体速度为25m/s，温度为380k，冷却流入口温度为300k，吹风比m＝1。
[0088]
利用ansys流体仿真模块ansys fluent和参数化设计模块ansys parameter design进行仿真计算和参数优化设计。
[0089]
以平均气膜冷却效率η和气动损失系统cp为优化目标，以l、w为优化变量，优化设计出一个椭球形气膜冷却孔。其最优结构参数为l＝6mm、w＝6mm。气膜冷却孔的平均气膜冷却效率η＝0.20312、气动损失系统cp＝0.030972，相对于经典圆孔平均气膜冷却效率η提高132％，气动损失系统cp降低63％。
[0090]
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。