一种半开式离心叶轮参数化造型生成方法及网格拓扑方法

本发明属于航空航天，涉及一种半开式离心叶轮参数化造型生成方法及网格拓扑方法。

背景技术：

1、离心压气机是一种重要的功能转换设备，作为一种叶片式流体机械，相较于容积式的压缩机，具有供气连续且供气量大的优点；相较于轴流式的压缩机，具有工况范围宽、体积小、压比高的优点。因此广泛应用于石油化工、金属冶炼、楼宇空调以及航空发动机等领域，主要作用是连续、稳定地提供大量的高压气体。其核心部件是离心叶轮，主要原理是通过离心叶轮的旋转对通过其中的气体做功，将施加给离心叶轮的轴功率转换为气体的动能，再通过叶轮流道内的扩压作用，将气体的一部分动能转化为压力能，实现气体压力的提升。

2、然而，由于气流摩擦、冲击、漩涡等不可逆损失的存在，离心叶轮在实现功能转换的过程中不可避免地存在能量损耗，只有通过良好的气动型面设计才能有效减少能量的损耗。由于其在重工业中应用的广泛性，每1％的气动效率提升都能够带来可观的经济效益。因此，气动造型是离心叶轮设计的重点。目前，设计人员主要借助计算机辅助设计(cad)工具完成离心叶轮的形状设计，并使用计算流体动力学(cfd)手段完成对设计叶轮的性能预测。为了完成cfd性能预测，需要进行繁复耗时的前处理工作，主要包括叶轮几何形状的调整、封闭计算域的创建和结构化网格的绘制。针对不同形状的叶轮，每一步骤都要重新完成，因此需要耗费大量人力，延长了设计周期，因此通常需要借助专用的参数化造型方案和自动结构化网格拓扑方案来简化这一步骤。

3、目前，成熟离心叶轮参数化造型方案已经实现商业化，包括concepts nrec软件、numeca autoblade软件以及ansys bladegen软件等。对于无分流叶片的半开式离心叶轮，这些软件的造型方案能够实现叶片的自由造型，包括子午面形状控制和不同叶高处的叶片角控制，并且，在完成形状控制后，可以生成对应的几何实体和计算域。目前的方案不足之处在于，仅对叶片形状进行控制，而忽略了轮盘面在气流调控方面的作用。目前的商业化方案无法将离心叶轮的轮盘面作为形状控制曲面，仅使用叶根线构造回转面作为轮盘面的形状。而实际上，由于离心叶轮内部流动具有周向不均匀性，因此，非轴对称的轮盘面形状更能适应离心叶轮内部流动。

4、目前，用于离心叶轮的专门化结构化网格划分方案主要有numeca autogrid软件以及ansys cfx turbogrid软件。对于无分流叶片的半开式离心叶轮，这些软件能够提供自动化的网格拓扑划分方案，适应不同叶片形状下的叶轮计算域，在仅需少量人为干预的情况下，生成结构化网格，用于后续cfd计算。这一类方案的基本原理是将离心叶轮沿叶高方向进行切片，划分为结构相似的多层，每层均可视为二维几何，在每层上使用相同的拓扑结构，完成二维网格的划分，以适应不同叶高处的叶形，最后对层间进行网格节点插值，形成三维结构化网格。这种方案的不足之处在于，每层网格均在不同叶高的回转面上绘制，这种网格拓扑无法适应轮盘面是非回转面(非轴对称面)的形式，轮盘附近的网格生成会出错，此时无法使用结构化网格对叶轮进行cfd性能预测，大大延长了设计周期，增加了设计成本。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中生成的几何实体和计算域，仅对叶片形状进行控制，忽略了轮盘面在气流调控的作用，仅使用叶根线构造回转面作为轮盘面的形状，不能够适应离心叶轮内部流动周向不均匀性的问题，提供一种半开式离心叶轮参数化造型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、一种半开式离心叶轮参数化造型生成方法，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、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、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；

7、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；

8、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；

9、提取周期性交界面的边缘曲线，将边缘曲线分别旋转后得到进口面和出口面；

10、将生成的主叶片、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。

11、本发明的进一步改进在于：

12、所述生成的主叶片包括主叶片吸力面和主叶片压力面，具体包括以下步骤：

13、提取初始主叶片中性面形状数据，对曲面进行参数化重构，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；

14、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；

15、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；

16、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；

17、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。

18、所述非轴对称轮盘面的生成具体通过以下步骤：

19、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；

20、以轮盘线为母线，围绕叶轮旋转轴扫掠，生成初始轮盘面；

21、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；

22、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。

23、所述轮盖面的生成具体包括以下步骤：

24、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；

25、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；

26、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；

27、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；

28、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。

29、所述主叶片的生成还包括主叶片叶顶面和主叶片尾缘面；

30、所述主叶片叶顶面的生成首先是将计算域叶顶线绕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；

31、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。

32、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。

33、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。

34、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。

35、一种半开式离心叶轮参数化造型网格拓扑方法，采用如权利要求1-8任一项所述的半开式离心叶轮参数化造型生成方法，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。

36、所述拓扑结构线的生成具体包括以下步骤：

37、生成轮盘面拓扑结构线，分别在非轴对称轮盘面和叶片连接面上生成拓扑结构线；

38、生成叶顶面拓扑结构线，分别在叶顶回转面和主叶片叶顶面上生成拓扑结构线；

39、生成轮盖面拓扑结构线，将叶顶面拓扑结构线、主叶片叶顶轮廓线和分流叶片叶顶轮廓线均投影至轮盖面，得到轮盖面拓扑结构线；

40、生成轮盘面与叶顶面连接拓扑结构线，首先在主叶片上生成拓扑结构线，根据曲线保形变换，分别以主叶片上生成的拓扑结构线、前缘周期性交界面上的边缘曲线lcd、尾缘周期性交界面上的边缘曲线lcd、主叶片吸力面及主叶片压力面上的尾缘曲线为原型，生成拓扑结构线；

41、生成叶顶面与轮盖面连接拓扑结构线，以直线连接叶顶面拓扑结构线与轮盖面拓扑结构线对应的端点，生成拓扑结构线；

42、生成通道内o型拓扑结构线，首先在沿流动方向轮盘和叶顶之间的通道截面上生成o-block型的拓扑结构线，然后生成个o型拓扑截面之间的连接曲线。

43、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

44、本发明提出了一种半开式离心叶轮参数化造型生成方法，以初始主叶片中性面形状数据、叶片厚度分布数据、叶片数、前缘叶顶间隙值以及尾缘叶顶间隙值为输入，通过具体的参数化方法，可以生成自由曲面叶片和具有自由曲面造型的非轴对称轮盘面，将生成的所有曲面组成几何实体，生成封闭的计算域。通过使用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，所生成的非轴对称轮盘面能够适应离心叶轮内部的不均匀流动。

45、进一步的，通过非轴对称轮盘面参数化方法能够自由地对轮盘面进行凹凸造型控制，且凹凸造型的方向可以根据附近叶根曲面方向自动进行调整，避免了在自由给定参数时，轮盘面和叶片面可能会发生的几何干涉，从而避免了大量不符合实际的造型出现；同时并不影响叶轮进出口附近的轮盘面斜率，这使得新型的叶轮造型可以自然匹配传统造型的离心叶轮进出口部件，比如进口导叶、进口导流帽、扩压器等，这使得在优化得到新型叶轮后，仍可以匹配机器中的原有部件。

46、本发明提出了一种半开式离心叶轮参数化造型网格拓扑方法，与参数化造型生成方法相匹配，通过确定新型叶轮的造型设计后，借助商业网格划分软件，自动完成结构化网格的划分，节省了大量人力成本，使该参数化造型方法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。