計算流體動力學在航空葉輪設計及優化過程中的要點

唐元恒，鄒剛，王占勇

計算流體動力學在航空葉輪設計及優化過程中的要點

唐元恒，鄒剛，王占勇

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

計算流體動力學作為葉輪設計的重要方法，正在逐步地完善中，并且應用越來越廣泛。在航空葉輪設計中運用計算流體動力學對于葉片型面、幾何測量及其他物體輪廓進行準確測量具有重要意義。

航空；葉輪設計；計算流體學；優化

計算流體動力學目前廣泛地運用于航空器械的設計中，作為一項先進的計算方法，為了發揮它的最大效用，要對其方法進行不斷地優化，提高它的幾何能力，有效地提高相關機械的運行效率，可推動我國航空事業更好地向前發展。

1 計算流體動力學在葉輪設計中應用的意義

計算流體動力學（CFD），是用電子計算機和離散化數值的方法對流體學問題進行數值模擬和分析。運用數值模擬的方法對流體學問題進行分析這種思想最早可以追溯到20世紀初，理查德就提出了這種想法。但是由于當時技術條件落后以及問題自身的復雜性，導致這種想法讓人們忽視，并未得到實際的發展和運用。直到40年代中期計算機問世之后，運用電子計算機進行相關的數值模擬和計算才逐步成為現實。雖然計算機流體學的發展歷史并不算長，但是卻已經廣泛的運用到相關領域，并得到長足的發展。

計算流體動力學在航空葉輪設計中的應用比較多，主要是采用了三維方式對葉輪機械模型進行相關的計算與研究。CFD只是為理解葉輪機械內部的流體學提供一種手段，不要低估計算流體動力學的作用但同時也不要對它估計過高。當前，運用計算流體動力學來對航空設計中的相關數值進行求解已經成為設計分析的一種重要手段，特別是計算流體學在氣動設計以及發動機數值的仿真實驗中已經是一種重要的模擬實驗手段。

計算流體動力學在航空葉輪設計中的應用不僅可以提高發動機的性能，還可以延長發動機的使用年限，縮短研發時間，減少研發投資的費用，降低投資的相關風險。葉輪在航空航天領域應用比較廣泛，但是必須清楚地了解葉輪的工作環境，葉輪是在高速運轉高溫高壓下進行工作的，由于葉輪的工作性質和工作環境決定了葉輪的性能和質量相比其他零部件要求要高的多。

近三十年來，航空渦輪發動機技術水平獲得了較大的提高，其中葉輪機的性能獲得了較大的改善。葉輪機包括：高低壓渦輪、高低壓壓氣機及風扇，葉輪機的性能對整個發動機的性能起著決定性的作用，葉輪機性能的好壞直接影響著發動機的性能、使用時間、成本、維修、研發時間等。葉輪機的更新直接影響著發動機的研制。因此，提高葉輪機的性能成為改進發動機的重要手段，在葉輪機的改進實驗中多采用計算流體動力學的方法。葉輪在生產制造過程中由于要受到技術條件以及各種外界條件的限制，導致生產的葉片會出現型面旋轉不對稱、葉片大小有誤差等問題，這直接影響了機械設備的工作效率。所以，在葉輪設計中必須加大CFD的運用，保證機械設計的科學合理性及機械日后的正常運轉。

2 計算流體動力學在航空葉輪設計中的要點

到目前為止CFD的三維設計應用是CFD技術最成功的應用。葉輪設計中運用計算流體動力學不僅縮短了設計的時間，還可以進行相關的模擬實驗，對其數值進行試驗試行，減少了研究經費，更好地促進科學技術的進步，推動技術設備的更新換代，更好地方便人們的生產和生活。目前，CFD技術已經廣泛的運用到船舶、動力、化工、核能、建筑以及食品研發領域。

2.1 三維葉型設計在航空葉輪設計中的運用

在航空渦輪設計中，CFD的三維設計一直是一個不可替代的重要手段，設計師一般采用三維建模的方法對葉輪機的結構進行優化設計，提高葉輪機的性能，保證它的流動結構，對葉輪機進行結構優化。三維設計是新一代數字化、虛擬化及智能化設計平臺的基礎，它是建立在平面和二維設計的基礎上，讓設計目標更加的立體化、更加形象化的一種新的設計方法。在航空葉輪設計中運用三維設計的方法，不僅能夠促進航空葉輪設計實驗更好更快的運行，還可以減少設計的經費損耗，降低研發投資的經費，更形象直觀的進行試驗，讓人們直接看到設計成果，看到新技術、新設備的效果。運用CFD方法，可以確定航空葉輪機械的性能參數，如其對應的損失、負荷、堵塞分布等，同時可以指出其流體力學在航空葉輪設計中的成因，分析其幾何關系，讓人們直觀地了解機械設備的性能，在最大程度上發揮航空葉輪的效能。

2.2 幾何復雜性的考慮

在航空葉輪設計實驗中CFD方法除了對葉柵通道流動進行模擬外，還需要對葉輪機的許多幾何和流動的復雜性進行正確模擬，以便更好對相關設計進行優化。如在航空機械設計中的渦輪冷卻氣與主流的相互作用；帶冠渦輪轉子和帶圍帶的靜子的泄露流動等。幾何不是一層不變的，幾何的復雜性牽扯的流體質量流量其實并不多，但是不能忽略這些因素的影響，很可能因為強的非線性作用對主流產生重要影響。如葉輪中葉片高溫高壓高速運轉的工作狀態和工作環境，如若在運行過程中壓力值發生變化，將會極大地影響葉片的負荷分布情況以及級間的匹配。

2.3 多級流動的模擬在航空葉輪設計中的要點

在航空葉輪設計中多采用CFD的方法，有效地減少了模擬出錯，多級流動模擬技術是航空葉輪機風扇設計中采用最多的方法，對充分做好葉片的匹配工作，實現機械內部系統優化，對葉排的合理轉換具有重大的作用，同時還能對多級壓力機、葉片排之間的匹配設計進行優化，在葉片排間實驗時采用多級流動模擬方法，減少實驗和設計的誤差，保證葉片的正常運轉，促進葉輪機的正常運行，以便相關設計人員能準確掌握航空葉輪設計中的要點，最大程度地發揮其功用。

3 計算流體動力學在航空葉輪設計中的優化內容

計算流體動力學技術的發展是建立在計算機技術的基礎上的，上世紀中葉電腦的誕生為計算機技術奠定了物質基礎，當前隨著計算機技術的完善，為CFD技術的發展提供了技術支持，CFD技術有了突破性的發展。

三維葉輪機械的設計是一項專業性很強的工作，需要設計人員熟悉掌握相關計算流體動力學的相關知識及工作原理，把握設計中的技術要點，了解航空機械流動結構的特性，避免葉輪機械設備流動不合理情況的出現。利用三維建模的方式對航空葉輪機械設計進行優化是最常見的，但是一項技術也有它的優缺兩面性，它有自己的適用范圍，在它的合理范圍內進行系統優化提高機械的性能，有效的提高其應用效果。在對航空葉輪進行設計優化的時候，需要應用相關的機械技術，不能過于依賴設計人員的主觀經驗，一定要全面客觀的進行相關設計實驗的檢驗，避免出錯。我國計算流體動力學的相關研究起步較晚，仍然處在探索階段，所以在一定范圍內還存在許多的限制。

4 結束語

計算流體動力學在在航空發電機葉輪機的設計中作用日益突出，應該加大CFD在航空葉輪機設計中的運用，將CFD真正地從理論方法轉化為實驗中的實際應用，在對該方法進行完善創新的同時，促進我國航天事業健康發展。

[1]周燕佩，徐力平.計算流體動力學在航空葉輪機械中的應用[C]//中國航空學會21世紀航空動力發展研討會論文集.北京：中國航空學會.2000.

[2]張健.計算流體力學在航空葉輪機設計中的應用[J].航空科學技術，1999（4）：19-22.

Application and Optimization of Computational Fluid Dynamics in Aviation Impeller Design

TANG Yuan-heng，ZOU Gang，WANG Zhan-yong
（Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Campus，Qingdao Shandong 266041，China）

Computational fluid dynamics is an important method for impeller design.It is becoming more and more mature and perfect.It is widely used in computational fluid dynamics in the design of air impeller for the study of blade profile，geometric measurement and other object contours.Accurate measurement is of great significance.

aviation；impeller design；computational fluidology；optimization

V231.3

A

1672-545X（2017）07-0067-02

2017-04-21

唐元恒（1974-），男，山東萊蕪人，碩士研究生，工程師，研究方向：裝備綜合保障。