带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法及网格拓扑方法

本发明属于航空航天，涉及一种带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法及网格拓扑方法。

背景技术：

1、离心压缩机作为一种以流体为工质实现功能转换的旋转式机械，广泛应用于石化、冶金、民用空调及航空航天等领域，其性能的提升往往能够带来可观的经济效益。作为离心压缩机的核心部件，离心叶轮的空间几何造型将影响其内部工质的流动状况，这往往决定了机器性能的上限，因此气动设计是离心叶轮设计的重点。计算机科学技术发展的今天，专业的研究及设计人员往往借助计算流体动力学(cfd)的手段模拟一定几何造型下离心叶轮内部的流场，从而实现对设计方案的性能预测及改进。为了完成优良的设计，往往需要验证几十甚至上百种方案，这要求对叶轮的几何形状进行参数化的控制，并要求能够在任意几何形状下快速完成计算域的构建及cfd网格的绘制。

2、目前，用于离心叶轮参数化造型的成熟的商业化方案主要有concepts nrec软件、numeca autoblade软件以及ansys bladegen软件等。对于带分流叶片的半开式离心叶轮，这些软件提供的方案能够实现主叶片的自由造型，并生成对应的计算域。目前方案的不足在于，仅对主叶片进行形状控制，而忽略了分流叶片以及轮盘面在气动设计中的作用。对于分流叶片，往往采用从主叶片截取一定长度的叶片作为其型面，而不是采用独立设计的型面；对于轮盘面，往往采用由叶根线旋成的回转面作为型面，而不是采用独立设计的自由曲面。

3、目前，用于离心叶轮结构化网格划分的成熟方案主要有numeca autogrid软件以及ansys cfx turbogrid软件。对于带分流叶片的半开式离心叶轮，这些软件提供的方案能够自动生成任意主叶片形状下单个流道内的网格拓扑，并在此基础上完成结构化网格的划分。这一类方案的基本原理是在不同叶高处的回转面上绘制自适应的二维拓扑，以适应不同叶高的叶形变化，通过连接各层的二维拓扑形成三维流道内的网格拓扑，从而完成结构化网格的绘制。这一类方案的不足之处在于，不能适应轮盘面自由凹凸下的几何空间，其原因是当轮盘面形状不再是回转面时，轮盘面附近的回转面网格拓扑将不能适应非回转面空间几何结构。这将导致无法自动生成用于计算的结构化网格，大大延长了设计周期，增加人力成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中仅对主叶片进行形状控制，而忽略了分流叶片以及轮盘面在气动设计中的作用，导致设计周期增加的问题，提供一种带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法及网格拓扑方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法，包括以下步骤：

4、获取初始主叶片中性面形状数据、叶片厚度分布数据、分流叶片位置数据、叶片数、前缘叶顶间隙值和尾缘叶顶间隙值；

5、提取初始主叶片中性面形状数据进行参数化曲面重构，得到叶片轮廓造型，结合给定的凹凸控制参数，得到主叶片凹凸造型，生成主叶片中性面，主叶片中性面结合叶片厚度分布数据生成主叶片；

6、通过分流叶片位置数据生成初始分流叶片型面数据，对初始分流叶片型面数据进行参数化重构曲面后，得到分流叶片轮廓造型，结合给定的凹凸控制参数，得到分流叶片凹凸造型，对分流叶片凹凸造型进行整形后生成分流叶片；

7、以主叶片中性面叶根线的延长线作为轮盘线，旋转轮盘线生成初始轮盘面，对初始轮盘面进行分割重构后，生成非轴对称轮盘面；

8、由主叶片中性面、前缘叶顶间隙值和尾缘叶顶间隙值生成轮盖线，通过轮盖线生成轮盖面；

9、通过提取主叶片中性面边缘曲线，经过曲线保形变换后，分别得到周期性交界面；

10、提取周期性交界面的边缘曲线，边缘曲线分别旋转后得到进口面和出口面；

11、将生成的主叶片、分流叶片、非轴对称轮盘面、轮盖面、进口面、出口面以及周期性交界面在边缘处连接，得到封闭的几何实体，生成参数化计算域。

12、本发明的进一步改进在于：

13、所述生成的主叶片包括主叶片吸力面、主叶片压力面、主叶片叶顶面和主叶片尾缘面；

14、所述主叶片吸力面和主叶片压力面首先根据初始主叶片中性面形状数据建立nurbs曲面，将自前缘至尾缘的方向规定为曲面的u方向，自叶顶至叶根方向规定为曲面的v方向；

15、自前缘至尾缘均匀的提取若干条v方向的曲面结构线，对曲面结构线进行保形变换，生成主叶片过渡面；

16、对主叶片过渡面进行曲面重构，结合给定的凹凸控制参数，得到主叶片的凹凸造型，生成主叶片中性面；

17、在主叶片中性面上自叶顶至叶根方向均匀提取x条u方向的曲面结构线，在每条曲面结构线上均匀提取y个点，形成y*x个主叶片中性面数据点；

18、通过叶片厚度分布数据，分别计算压力面和吸力面上的数据点，通过得到的数据点分别生成主叶片压力面和主叶片吸力面；

19、所述主叶片叶顶面的生成首先将主叶片中性面中的叶根线和叶顶线分别在两端以直线形式延长，将两条延长过的曲线分别作为计算域的叶根线和叶顶线；

20、将计算域叶顶线绕z轴形成回转面；然后提取闭合的主叶片叶顶轮廓线对回转面进行分割，得到完整的主叶片叶顶面；使用计算域叶顶线对完整的主叶片叶顶面进行分割，得到吸力侧叶顶面和压力侧叶顶面；

21、所述主叶片尾缘面的生成首先是提取主叶片中性面尾缘曲线lab、主叶片压力面尾缘曲线lcd和主叶片吸力面尾缘曲线lef；在叶根回转面上生成曲线lfb和lbd，在叶顶回转面生成曲线lea和lac；以lab、lcd、lbd和lac为边缘曲线生成主叶片压力侧尾缘面，以lef、lab、lfb和lea为边缘曲线生成主叶片吸力侧尾缘面。

22、所述生成的分流叶片包括分流叶片压力面和分流叶片吸力面，具体包括以下步骤：

23、通过分流叶片前缘位置、分流叶片偏转角度和主叶片中性面生成初始分流叶片型面；

24、对初始分流叶片型面的叶根线和叶顶线进行重构，得到新的分流叶片叶根线和叶顶线；

25、以初始分流叶片型面为基准，以新的叶根线和叶顶线为目标轮廓，完成分流叶片型面保形变换，得到分流叶片过渡面；

26、对分流叶片过渡面进行曲面重构，结合给定的凹凸控制参数，得到分流叶片凹凸造型，生成分流叶片中性面；

27、提取主叶片中性面的叶根线及叶顶线作为母线，围绕叶轮旋转轴得到叶根回转面和叶顶回转面；

28、将分流叶片中性面均匀离散为若干条u方向的型线，将型线中的分流叶片中性面中的叶根线和叶顶线均匀离散为若干坐标点；

29、将分流叶片中性面中的叶根点投影至叶根回转面，并插值成为新的分流叶片叶根线，将分流叶片的叶顶点投影至叶顶回转面，并插值成为新的分流叶片叶顶线；

30、使用新的分流叶片叶根线和新的分流叶片叶顶线以及中间叶高处u方向的型线作为结构线构建曲面，生成最终的分流叶片中性面；

31、以最终的分流叶片中性面为输入曲面，结合叶片厚度分布数据，生成分流叶片压力面和分流叶片吸力面。

32、所述非轴对称轮盘面的生成具体通过以下步骤：

33、提取主叶片中性面中的叶根线，以直线形式延长叶根线的两端，并使得斜率连续，以延长后的叶根线作为轮盘线；

34、以轮盘线为母线，围绕叶轮旋转轴扫掠，生成初始轮盘面；

35、对初始轮盘面进行分割，分别生成形状控制面和叶片连接面；

36、对形状控制面进行曲面重构，结合给定的形状控制参数，生成非轴对称轮盘面。

37、所述对初始轮盘面进行分割时采用分割辅助线，分割辅助线的生成具体通过以下步骤：

38、使用主叶片叶根线，以大于给定的叶根厚度分布的数值绘制主叶片压力面侧和主叶片吸力面侧的型线，去除前缘的椭圆头后，得到辅助线l1和l2；

39、根据分流叶片叶根线，以大于给定的叶根厚度分布的数值绘制分流叶片压力面侧和分流叶片吸力面侧的型线，去除前缘的椭圆头后，得到辅助线l3和l4；

40、将辅助线l2沿周向旋转2π/n弧度，得到辅助线l2′；

41、比较辅助线l3和l4前缘端点z轴坐标绝对值，以绝对值小的一侧端点绕z轴绘制整圆，得到辅助线l5；

42、以直线形式在前缘延长辅助线l4，将l4在曲面上延伸至点p，得到辅助线l4′，点p为辅助线l5上距离延长段的最近点；

43、使用辅助线l1、l2′、l3、l4′和l5对初始轮盘面进行分割。

44、所述轮盖面的生成具体包括以下步骤：

45、提取主叶片中性面中的叶根线和叶顶线，投影至子午平面，将叶根线和叶顶线离散为相等数量的坐标点；

46、将主叶片中性面中的叶根线和叶顶线分别在两端以直线形式延长，将两条延长过的曲线分别作为计算域的叶根线和叶顶线；

47、两条延长过的曲线端点投影至子午平面，将坐标点及端点两两之间以直线连接，在叶顶处向外延伸，得到延伸点；

48、使用nurbs曲线插值延伸点，得到子午轮盖线，将子午轮盖线两端延伸后，绕z轴旋转生成回转面；

49、将计算域叶顶线投影至回转面，得到计算域轮盖线，将计算域轮盖线绕z轴旋转2π/n弧度后，生成轮盖面。

50、所述坐标点及端点两两之间以直线连接，在叶顶处向外延伸，延伸距离通过下式确定：

51、

52、其中，δleading表示前缘叶顶间隙，δending表示尾缘叶顶间隙，i表示自前缘开始第i个点。

53、所述周期性交界面包括前缘周期性交界面、尾缘周期性交界面和叶顶间隙周期性交界面；所述前缘周期性交界面通过提取主叶片中性面前缘线lab、计算域叶顶线前缘端点c和计算域叶根线前缘端点d，在计算域叶顶线上截取曲线lac，在计算域叶根线上截取曲线lbd，对前缘线lab进行保形变换，得到曲线lcd，以前缘线lab、曲线lcd、lbd和lac为边缘曲线生成第一前缘周期性交界面，将第一前缘周期性交界面绕z轴旋转2π/n弧度得到第二前缘周期性交界面；所述尾缘周期性交界面通过提取主叶片中性面尾缘线lab、计算域叶顶线尾缘端点c和计算域叶根线尾缘端点d，在计算域叶顶线上截取曲线lac，在计算域叶根线上截取曲线lbd，对尾缘线lab进行保形变换，得到曲线lcd，以尾缘线lab、曲线lcd、lbd和lac为边缘曲线生成第一尾缘周期性交界面，将第一尾缘周期性交界面绕z轴旋转2π/n弧度得到第二尾缘周期性交界面；所述叶顶间隙周期性交界面通过提取计算域叶顶线lab和计算域轮盖线lcd以直线连接点ac和点bd，得到lac和lbd，以计算域叶顶线lab、计算域轮盖线lcd、曲线lac和lbd为边缘曲线生成第一叶顶间隙周期性交界面，将第一叶顶间隙周期性交界面绕z轴旋转2π/n弧度得到第二叶顶间隙周期性交界面。

54、所述进口面的生成是通过分别提取前缘周期性交界面和叶顶间隙周期性交界面的边缘曲线，然后将边缘曲线分别绕z轴旋转2π/n弧度后，得到进口面；所述出口面的生成是通过分别提取尾缘周期性交界面和叶顶间隙周期性交界面的边缘曲线，然后将边缘曲线分别绕z轴旋转2π/n弧度后，得到出口面。

55、带分流叶片的半开式离心叶轮网格拓扑方法，采用如权利要求1中所述的带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法，在参数化计算域中生成适应计算域空间几何形状的拓扑结构线，对相对应的拓扑结构线规定结构化网格节点数量和分布后，生成结构化网格。

56、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

57、本发明提出了一种带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法，针对任意带分流叶片的半开式离心叶轮，可以以初始主叶片中性面形状数据、叶片厚度分布数据、分流叶片前缘位置、分流叶片偏转角度、叶片数以及前/尾缘叶顶间隙值为输入，生成自由曲面主叶片、具有与主叶片不同造型的非一致分流叶片以及具有自由曲面造型的非轴对称轮盘面，并生成封闭的计算域，能够实现非一致分流叶片和非轴对称轮盘面的造型生成，减少设计周期。

58、进一步的，所提出的曲面保形变换方法，能够在直纹面以及自由曲面的基础上，仅使用叶根和叶顶的控制参数，对叶片造型进行合理的较大变形范围的参数化控制，可以应用于对直纹面叶轮和自由曲面叶轮进行气动优化设计的工作中。

59、本发明提出的一种带分流叶片的半开式离心叶轮拓扑方法，是与提出的参数化计算域造型方法相匹配的，使得在确定新型叶轮的造型设计后，能够借助网格划分软件，自动完成结构化网格的划分，节省了大量人力成本，使该参数化造型方案能够应用于需要进行大量样本计算的气动设计优化工作中。