離心壓氣機葉輪仿真模型的逆向建模技術

摘要：為了克服離心式壓氣機流場仿真過程中扭曲葉輪建模與網格劃分方面的困難，采用逆向技術完成葉輪仿真模型建立。該技術運用Ansys BladeModeler完成實體模型的CAD前處理，運用BladeGen完成壓氣機葉輪參數提取，將建立的葉輪仿真模型進行壓氣機特性的CFD計算，將計算結果與實驗對比，完成確定模型準確性驗證。結果表明：逆向建模技術可實現高效、準確的壓氣機葉輪建模與快速的結構化網格劃分。

關鍵詞：離心壓氣機；葉輪；逆向

離心壓氣機葉輪的扭曲構造形式給CAD建模帶來一定困難，工程中往往借助逆向工程技術實現其建模過程，逆向工程是利用三維掃描儀將實物組件進行點云數據采集，實現CAD模型的重構，在國內外已有很多關于該領域的研究[14]。然而隨著計算流體力學技術的不斷進步，商用軟件平臺已經開發出成熟的葉輪機械設計與仿真全套系統[5]，上述方法已不能很好地結合該平臺的優良設計與快速仿真工具，將逆向技術推向流體仿真計算領域成為亟待解決的問題[6]。本文采用逆向工程思想，利用Ansys BladeModeler完成實體模型的CAD前處理，運用BladeGen完成壓氣機葉輪參數提取，通過壓氣機特性的仿真與實驗對比來確定模型準確性。該方法突破性的功能是將原始葉輪模型提取參數，在專業的葉輪設計系統中實現逆向建模與再設計?？梢灾苯釉谝呀浌_的先進離心壓氣機產品的基礎上進行結構性能分析、設計以及模型的重構。該方法充分結合CFD技術，對離心壓氣機內部流場進行計算分析，極大的縮短壓氣機的產品開發周期，有效地占有市場，領導技術前沿，具有很強的工程應用價值。

1 逆向建模技術流程

當實際工程應用中沒有得到實體壓氣機組件，或者無法進行傳統的逆向工程測繪，僅提供某機型的三維CAD模型時，將壓氣機CAD模型導入BladeModeler中進行特殊的幾何前處理；利用BladeGen軟件平臺完成葉輪參數提?。惶崛悼梢灾苯釉赥urbogrid軟件平臺下一鍵生成六面體網格，再利用CFX軟件中的Turbo分析功能完成壓氣機的內部流場計算。得到流場計算結果與實驗值進行對比分析，判斷模型建立的準確性。

2 BladeModeler三維幾何模型前處理

2.1 切出葉輪子午流道面

將設計優良的壓氣機葉輪原模型圖2（a）通過填充操作得到圖2（b）所示的流場仿真模型，再利用Extrude與Revolve相結合得到如圖2（c）所示的幾何旋轉體。將原始葉輪的主葉片、分流葉片與旋轉體進行組合，選擇切割對稱面，以旋轉體作為被切割對象，完成子午流道面的切出，得到如圖2（d）所示的效果。操作過程中務必保證所有模型均位于Z軸的正方向。

2.2 生成前處理幾何文件

選擇基準面建立一個新坐標系，依次完成子午面輪緣曲線、輪轂曲線、進口曲線以及出口曲線的草圖建立。根據已建立的4個草圖，利用FlowPath功能建立葉輪流線。對于離心式扭曲葉輪需要添加多條流線。以新添加的流線為切割線，以主葉片與分流葉片為被切割對象，利用Sweep功能將流線繞Z軸360°旋轉切割葉輪，流線將葉輪切割成多個部分，選取主葉片與分流葉片的輪緣與輪轂側平面以及上述流線切割葉輪產在主輔葉片留下的切割面生成新的平面。得到如圖3所示的一個葉輪模型的輪緣線、輪轂線、流線以及葉輪的流線切線（面），這時抑制掉所有其它幾何模型并導出IGS格式的幾何文件。

3 BladeGen參數提取

3.1 選擇幾何文件

利用BladeGen的Data Import Wizard模塊將生成的IGS格式幾何文件導入。根據圖3標記的曲線名稱，依次選取輪緣曲線、輪轂曲線、葉片切線，如圖4所示，在Main Blade，Layer 1模式下選擇葉輪曲線。要將每個流線的葉輪切面輪廓線均選取成功，并且要區分主葉片與分流葉片。

3.2 曲線編輯與切點選擇

選中Main Layler1中的一條曲線，曲線變為紅色后點擊Edit Curves彈出一個對話框，在對話框中點擊Refit Curves選項又會彈出另一個對話框，這時只需要在新對話框中輸入點數即可，一般建議填寫最大值，按照上述方法依次修改其他Layer曲線，保證每條曲線都閉合。

選擇前緣（LE）與尾緣（TE）處的切點。需要自由確認前緣的切點位置，未選擇切點位置時，輪緣處出現兩個紅色方框，整個葉輪切割線非常雜亂不續，通過點擊鼠標左鍵選擇兩個切點位置，選擇后方框立刻變成綠色，并且Layer01LE End前面出現綠色對勾所示。

3.3 模型建立與網格劃分

通過上述操作完成模型的逆向參數提取，在BladeGen中生成新模型，如圖5所示，可以在軟件中進行葉形的進一步調整，實現再設計。導入Turbogrid中進行網格六面體網格劃分，如圖6所示。網格劃分結束后可進行相應的流體仿真計算。

4 準確性驗證

壓氣機特性線指恒定轉速下壓氣機壓比與效率隨流量的改變而變化的曲線。其中壓氣機壓比的計算為：

P2為壓氣機出口壓力，P1為壓氣機進口壓力。等熵效率是指氣體由進口壓力增加到出口壓力時，等熵壓縮功與實際消耗功之比。

式中Ws表示等熵壓縮功，Wtot表示實際消耗功，T1為壓氣機進口溫度，T2為出口溫度，βt為漏氣損失系數，βdf為輪阻損失系數。

當略去動能變化時，得到：

圖7為單一轉速下壓氣機仿真與實驗特性曲線對比圖，設計流量下仿真結果相對于實驗值的誤差為3.9%。整體上，仿真與實驗值吻合度較高，符合工程誤差要求，說明本文中所使用的模型與仿真方法較為合理。

5 總結

本文進行了壓氣機葉輪仿真模型的逆向建模，構建了逆向思維下的壓氣機葉輪仿真模型的建模流程，闡述了幾何模型前處理與參數提取技術的要點，進行壓氣機特性的實驗與仿真對比分析，得到以下結論：

1）使用Blade Modeler幾何前處理與BladeGen參數提取，可以實現優良設計模型的再設計與快速提取。

2）將逆向法建立的幾何模型進行整機性能仿真，得到結果與壓氣機特性試驗結果對比。單個轉速的相同流量下，最大誤差為3.9%，說明該逆向建模技術誤差合理，模型準確。

參考文獻：

[1]Adrian Cioc nea， Sergiu Nicolaie， Corina B bu anu.Reverse engineering for the rotor blades of a horizontal axis microhydrokinetic turbine[J].Energy Procedia，2017，112：3542.

[2]黃國權，楊顯惠.采用逆向工程技術對葉輪建模的研究[J].機械設計與制造，2012，2：227229.

[3]立彬，高曉輝，王昊，等.逆向工程各關鍵技術的研究進展[J].機械制造，2004，42（278）：4145.

[4]曹曉星.逆向工程模型重構關鍵技術及應用[D].鄭州大學，2012.

[5]凌云，馮進，劉孝光.CFXBladeGen在渦輪葉片造型中的應用[J].工程設計學報，2005，12（2）：109112.

[6]江杰.帶分流葉片離心泵的逆向開發及內部流動數值模擬分析[D].江蘇大學，2010.

作者簡介：宋震（1990），男，漢族，遼寧錦州人，工學碩士，江蘇科技大學能源與動力工程學院輪機工程專業，研究方向：船舶系統與設備振動噪聲控制。