一种涡轮级非定常气热耦合数值计算方法及系统

本发明涉及航空发动机及燃气轮机的涡轮级，具体为一种涡轮级非定常气热耦合数值计算方法及系统。

背景技术：

1、现代热力叶轮机械，如航空发动机和燃气轮机的涡轮进口燃气温度大多远超高温合金材料所能承受的工作温度，因此，工程实践中需要对涡轮叶片等热端部件采用冷却气体进行有效的冷却保护，即需要使用气冷叶片。在气冷叶片的设计过程中，除了进行必要的试验研究与验证外，通常需要应用数值模拟方法来分析评估气冷叶片在燃气与冷气构成的复杂工作环境中的热负荷和金属温度。为了得到真实准确的流动与换热特性，其数值计算方法必须考虑气冷叶片的固体导热作用以及低温冷气与高温燃气的混合等掺混过程对涡轮气动与传热特性的影响，即需要采用气热耦合(又称流热耦合\共轭传热coupled heattransfer\conjugate heat transfer)的数值模拟方法进行气冷叶片的设计、分析、评估和优化研究。

2、然而，在涡轮级的流动中，在上游尾迹周期性扫掠以及动叶叶尖泄漏流动、转子-静子(动叶-静叶)封严流动的综合作用下，下游叶排的主流、冷却气膜出流以及端区流动均具有非常明显的非定常性，导致相应的定常耦合换热数值分析存在明显的局限性。由于叶轮机械中动叶扫掠过静叶的时间极短、叶片金属材料本身的热容和导热率远大于燃气流体、燃气流体本身有较大的迁移速度，致使叶片固体和燃气流体的换热时间尺度相差近4个数量级。

3、对于上述情况，目前已有的非定常耦合换热数值计算要么无法在固体换热时间尺度下获得收敛的解，要么无法在流体的时间尺度下计算得到真实准确的固体温度，从而难以开展非定常气热耦合研究。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的涡轮级非定常气热耦合数值计算方法由于时间步长受到涡轮叶片固体和燃气流体的换热时间尺度差异和动静干涉频率的影响导致的数值计算局限性大，准确性低问题，本发明提供一种涡轮级非定常气热耦合数值计算方法及系统。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、本发明提供一种涡轮级非定常气热耦合数值计算方法，包括以下步骤：

4、步骤1)获取涡轮级的固体计算域、静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域；

5、步骤2)根据固体计算域、静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域，设定时间缩放倍率mn，n为时间缩放倍率迭代计数，此时n＝1；

6、步骤3)对静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域赋予运动参数；

7、步骤4)根据时间缩放倍率mn以及静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域的运动参数，确定扫掠周期和时间步长，并进行扫掠计算；

8、步骤5)完成一个周期的扫掠计算后，根据扫掠计算结果，判断当下时间尺度计算残差是否收敛；是，则执行步骤6)和步骤7)；否，则返回步骤4)；

9、步骤6)计算得到当下时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(mn)；

10、步骤7)判断时间缩放倍率mn是否等于1；是，则得出真实时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(1)；否，则调节mn并返回步骤3)；

11、步骤8)根据各个时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(mn)和真实时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(1)，获得涡轮级非定常气热耦合数值结果。

12、优选地，步骤1)中所述的静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域均为独立的计算域。

13、进一步地，步骤3)的具体操作为：

14、步骤3.1)：对动叶部件的流体计算域赋予运动坐标系运动；

15、步骤3.2)：对静叶部件的流体计算域赋予运动坐标系运动；

16、步骤3.3)：对静叶部件的流体计算域赋予动网格的运动。

17、进一步地，步骤3.1)的具体操作为：设定动叶部件的流体计算域的运动坐标系旋转方向为真实条件下转子的旋转方向，设定动叶部件的流体计算域的运动坐标系旋转速度值为真实条件下转子的旋转速度值，即：

18、

19、其中，设定的动叶部件的流体计算域的运动坐标系旋转角速度，为真实的转子的旋转角速度；

20、步骤3.2)的具体操作为：设定静叶部件的流体计算域的运动坐标系旋转方向为真实条件下转子的旋转方向，设定动叶部件的流体计算域的运动坐标系旋转速度值为真实条件下转子的旋转速度值的即为：

21、

22、其中，为设定静叶部件的流体计算域的运动坐标系旋转角速度；

23、步骤3.3)的具体操作为：设定静叶部件的流体计算域的动网格旋转方向与真实条件下转子的旋转方向相反，设定静叶部件的流体计算域的动网格旋转速度值为真实条件下转子的旋转速度值的即为：

24、

25、其中，为设定静叶部件的流体计算域的动网格旋转角速度。

26、进一步地，步骤4)的具体操作为：计算在当前的时间缩放倍率下，一个扫掠过程的周期pn为：

27、pn＝mn·preal                              (4)

28、在当前的时间缩放倍率下，设定每个扫掠过程的时间步数nn，设定时间步长为tsn＝pn/nn；

29、在上述设定下展开一个扫掠周期的计算。

30、进一步地，步骤5)的具体操作为：

31、完成一个扫掠周期的计算后，对比当下时刻的涡轮级的固体计算域监测区域温度与上一个扫掠周期计算完成时刻的该区域的温度的差值，其中：k为当下时间缩放倍率下计算了一个扫掠周期的计数，a(t11)为初始时间缩放倍率下第一个扫掠周期计算中该域监测区域温度波动幅值，rms为设定的目标精度，若

32、

33、若上式不成立，则k值增加1，并以当下时刻的计算结果为初场，从步骤4)开始重复当下时间缩放倍率的扫掠计算；若上式成立，则执行步骤6)。

34、进一步地，步骤7)中调节mn并返回步骤3)的具体操作为：

35、以当前的时间缩放倍率mn乘以调节因子sn并取整，时间缩放倍率迭代的计数加1；

36、然后以当下时刻的计算结果为初场，返回执行步骤3)。

37、一种涡轮级非定常气热耦合数值计算系统，包括：

38、计算域获取模块：用于获取涡轮级的固体计算域、静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域；

39、时间缩放倍率确认模块：用于根据固体计算域、静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域，设定时间缩放倍率mn，n为时间缩放倍率迭代计数，此时n＝1；

40、运动参数赋予模块：用于对静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域赋予运动参数；

41、扫掠计算模块：用于根据时间缩放倍率mn以及静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域的运动参数，确定扫掠周期和时间步长，并进行扫掠计算；

42、残差尺度判断模块：用于完成一个周期的扫掠计算后，根据扫掠计算结果，判断当下时间尺度计算残差是否收敛，是，则执行下一模块；否，则返回扫掠计算模块；

43、数值结果输出模块：用于计算得出当下时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(mn)；

44、时间缩放倍率判断与调整模块：用于判断时间缩放倍率mn是否等于1，是，则得出真实时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(1)；否，则对当下时间倍率进行调整并返回时间缩放倍率确认模块；

45、涡轮级非定常气热耦合数值输出模块：根据各个时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(mn)和真实时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(1)，获得涡轮级非定常气热耦合数值结果，确定涡轮级非定常气热耦合数值结果。

46、一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述方法的步骤。

47、一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述方法的步骤。

48、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

49、本发明提供一种涡轮级非定常气热耦合数值计算方法，该方法通过获取涡轮级的固体计算域、静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域，确定时间缩放倍率mn，对静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域赋予运动参数，确定扫掠周期和时间步长，并进行扫掠计算，并根据扫掠计算结果，判断当下时间尺度计算残差是否收敛；最后，根据收敛特性计算得到当下时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(mn)；判断时间缩放倍率mn是否等于1；得出真实时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(1)；该方法基于非定常气热耦合环境下涡轮级部件的固体与气体传热的时间尺度相差近4个量级的事实，在涡轮级的非定常气热耦合数值计算中，引入与热力叶轮机械内部流动物理定律相容的变时间尺度的方法，对涡轮级静叶流体计算域参数的设置，使得涡轮级静叶流体计算域最终的物理量与计算格式皆与绝对静止的计算域的物理量及计算格式相等，即在此基础上可人为调整时间缩放倍率而不造成数值计算中物理规律的改变，从而使能够从不同时间尺度计算观测气热耦合条件下流动与换热的非定常特征，并能获得动静干涉条件下涡轮部件固体域的准确温度。另外，相比于流体域固体域采用不同的时间尺度的方法更接近真实物理情况。在流固交界面上传递涉及时间项的变量时，由于流体域和固体域使用的是统一的时间缩放倍率，不会因为两侧的时间尺度差异而引起误差放大导致计算发散，整体计算更为稳定。

50、进一步地，本发明静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域均为独立的计算域，每个时间步内的数值求解和传统的数值计算要求是保持统一的，即在传统的数值计算前处理后，通过本发明的步骤能无缝切入变时间尺度的非定常气热耦合的数值计算，其后处理方式也是完全相同的。即本发明的方法在原有的数值计算上适用性、可移植性较强。

51、进一步地，对于航空发动机高压涡轮级，本发明包含有残差尺度判断方法和时间缩放倍率的调整方法，既能保证涡轮级非定常气热耦合数值计算的准确度，又能保证涡轮级非定常气热耦合数值计算的效率。

52、本发明还提供一种涡轮级非定常气热耦合数值计算系统，该系统包括计算域获取模块、时间缩放倍率确认模块、运动参数赋予模块、扫掠计算模块、残差尺度判断模块、数值结果输出模块、时间缩放倍率判断与调整模块和涡轮级非定常气热耦合数值输出模块，实现对获取涡轮级的固体计算域、静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域的获取、时间缩放倍率mn的确定、静叶部件的流体计算域和动叶部件的流体计算域运动参数的赋予、扫掠周期和时间步长确定及扫掠计算、当下时间尺度计算残差的判断、当下时间倍率的非定常气热耦合数值结果r(mn)的输出、时间缩放倍率mn的判断和调整以及涡轮级非定常气热耦合数值结果确定，整个过程，可实现涡轮级时间缩放尺度逐渐从固体换热时间尺度缩小至流体时间尺度下的非定常气热耦合计算，根据该计算结果可以展开后处理以研究涡轮级不同时间尺度下的非定常气热耦合特性及温度场分布。结构简单，操作方便，是航空发动机及燃气轮机的涡轮级技术领域的先进型技术。

53、一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，该处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

54、一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。