渦輪溫度場仿真技術發展方向研究

■ 馬薏文 苗輝 / 中國航發研究院

近年來，渦輪溫度場仿真技術隨著航空發動機不斷發展而飛速進步，以滿足越來越多樣、精細、深入的研發需求。從單部件穩態仿真，到動態多學科耦合仿真，再到多部件一體化仿真，功能形式多樣，不一而足，為航空發動機的渦輪科研提供了強有力的支持。

隨著航空發動機相關技術發展，渦輪進口溫度也隨之提高。現有推重比為10∶1的發動機的渦輪進口溫度達到了1800 ～2000K，推重比為15 ～20∶1的發動機的渦輪進口溫度將達到2100 ～2300K，遠遠超過了發動機高溫合金材料的熔點溫度。在性能逐漸提高，設計逐漸精細化、系統化的同時，渦輪部件熱負荷和溫度梯度也隨之大幅增加，如預測的渦輪葉片壁面溫度每上升25 ～30K，渦輪計算壽命就會減半。因此，準確的渦輪溫度場仿真技術，對高推重比發動機技術的發展至關重要。

入口溫度及冷卻結構隨年份的變化

發展現狀

渦輪溫度場仿真技術是高效、精細化冷卻設計的必要手段。通過仿真計算，不僅可以獲得渦輪固體溫度場的結果，還可以通過局部流場、溫度場和壓力場的展示，揭示換熱機理，為冷卻結構設計和優化提供依據。渦輪溫度場仿真的主要目的是：計算在發動機各種狀態下和過程中渦輪部件的溫度分布，為強度壽命分析提供依據。根據仿真手段和仿真對象的特點，可將渦輪溫度場仿真技術分為零維/一維/二維仿真、三維穩態流動仿真、三維穩態多學科耦合仿真（氣熱耦合、氣熱固耦合）、三維動態多學科耦合仿真（發動機定/變工況）以及多部件一體化耦合仿真。

零維/一維/二維仿真技術

零維/一維/二維仿真，是指通過將一維的S1流面流動以及換熱計算，在基于經驗公式的零維/一維管網計算與二維導熱計算結合，實現對溫度場預測的仿真方法。在航空渦輪溫度場計算中，可以將零維、一維、二維或這幾種維度相結合的方法和工具應用在渦輪冷卻結構的初步設計之中。這種方法的經驗公式來源于試驗，計算結果得到了一系列的試驗驗證，故計算速度快，計算結果也較準確。在渦輪葉片冷卻結構設計時，較多采用零維、一維和二維相結合的手段進行渦輪葉片溫度場計算，在初步設計后，用零維/一維仿真內換熱計算與二維外換熱計算進行熱分析，再在試驗中對冷效進行校核改進。

零維/一維/二維仿真示例

三維仿真技術

三維穩態流動仿真是指計算域僅包含流體部分，計算渦輪通道流場、溫度場的仿真技術。應用對象包括實心葉片溫度場計算、帶冷氣出流葉片外換熱計算（氣膜出流采用源項法處理）、熱斑定常遷移路徑計算等，其應用范圍在逐步擴大。

在此基礎上應運而生的三維穩態多學科耦合仿真是指在渦輪穩態溫度場計算中，綜合運用了多個學科的分析技術，如空氣動力學、氣彈性力學、熱彈性力學和結構動力學等。按照涉及學科的不同，可以分為氣熱耦合、氣固耦合、熱固耦合以及氣熱固耦合幾種。對于渦輪溫度場仿真而言，最常見的多學科耦合仿真技術是氣熱耦合和氣熱固耦合兩種。

三維氣熱耦合仿真反映流動與傳熱的相互作用，其計算域包含流體域和固體域，可以計算葉片固體結構溫度場、渦輪通道流場/溫度場。應用對象包括帶復雜內冷結構的葉片溫度場/綜合冷效計算，盤腔、端壁溫度場/綜合冷效計算等。目前，西北工業大學、哈爾濱工業大學和北京航空航天大學對此技術引用較多。在關注傳熱流動過程中發生明顯形變、位移時，三維氣熱固耦合仿真可以反映出流場、溫度場和結構位移的相互作用，具有計算渦輪葉片等高溫部件固體溫度場和應力/應變的能力，應用對象包括帶復雜內冷結構的葉片溫度場/綜合冷效計算，葉尖間隙及泄露流計算，葉片/涂層應力計算，局部破壞失效計算等。

三維動態多學科耦合仿真是在三維穩態多學科耦合仿真的基礎上，考慮幾何結構或條件隨時間的變化（即傳熱流動過程中）的非穩態研究。

三維穩態仿真結果示例

非線性諧波法非定常計算結果

對于發動機熱端部件的動態仿真，主要分為發動機定工況和變工況兩個分析方向。發動機定工況時，渦輪溫度場的動態特征來源于轉子葉片的旋轉作用，即轉子葉片與導向葉片之間時序位置的改變。常見典型應用對象有轉靜干涉（尾跡干涉、激波干涉等）、熱斑在整級/多級渦輪中的遷移等。擁有先進數值模擬分析技術的NUMECA公司主要采用非線性諧波法計算熱斑在兩級渦輪中的非定常遷移。海軍工程大學采用了非線性諧波法計算多級渦輪葉片的非定常溫度場，以研究轉靜干涉作用。

發動機變工況（即過渡態）時，渦輪主流、二次流、轉速等條件均處于變化之中，引起溫度場、應力應變的動態變化。常見典型應用對象有熱沖擊計算、渦輪葉片循環壽命計算等。克萊菲爾德大學以飛行參數和載荷譜為條件，計算模擬渦輪葉片的循環壽命。西北工業大學計算了渦輪葉片熱沖擊后結構溫度場與應力場的變化。

多部件一體化耦合仿真是指將渦輪與相鄰的空氣系統或燃燒室等部件同時納入計算域，進行耦合計算。在計算能力不斷提高、計算資源不斷擴大的前提下，多部件一體化耦合仿真的需求和應用逐步增多。其中，德國航空航天中心（DLR）計算了真實工況下渦輪葉片壽命，渦輪冷卻與壓氣機引氣、空氣系統耦合，并考慮發動機過渡態影響。霍尼韋爾公司計算了渦輪過渡態熱流、熱斑遷移等問題，計算域包含引氣、封嚴、渦輪盤、盤腔等結構。美國國家航空航天局（NASA）格倫研究中心進行的渦輪與燃燒室一體化仿真[1]，可以更真實、更全面地描述燃燒室與渦輪的耦合作用，可用于研究燃燒室出口不均勻性（熱斑、旋流、壓力不均）等問題，獲得更為真實的流場、溫度場信息，為渦輪與燃燒室一體化設計打下基礎。

多部件一體化耦合仿真示例

NASA格倫中心燃燒室/渦輪一體化計算

新方法研究

目前，學術界針對渦輪溫度場仿真有大量的模型、算法方面的研究，力圖通過新方法、新技術或者新視角來加強對現有仿真技術的應用以及對新仿真技術能力的開發，主要涉及常見算法對比、算法耦合/分區耦合、創新算法仿真開發等應用。

多算法對比研究主要是以現有常見算法應用于渦輪仿真的對比，選擇其中最適合的模型、方法以及影響最明顯的因素來對適用范圍內的現象進行研究。上海理工大學基于Fluent中的定常雷諾平均方程（RANS）方法和非定常大渦模擬（LES）[2]方法，對比了兩種模型在模擬葉柵流動結構和葉片表面傳熱系數時的工程實用性優劣；北京大學初步比較了4種具有代表性的摻混面模型和非定常方法在單級跨聲速壓氣機和1.5級亞聲速渦輪中的數值模擬精度和魯棒性[3]；南京航空航天大學針對渦輪第一級導向葉片分析了多種輻射因素對葉片表面溫度和冷卻性能的影響。

算法耦合/分區耦合主要是針對在復雜流場中每個計算模型最佳適用范圍不同的特性，將不同模型進行耦合應用，或者對計算域進行分區處理綜合分析，是一種基于算法對比研究基礎，充分利用不同模型特征與優勢，以達成最佳仿真結果的新方法。南京航空航天大學開發的RANS-LES耦合計算方法很好地捕捉了尾緣的層流分離泡[4]，相比于純LES極大縮短了計算周期；重慶大學則使用Python語言對Workbench進行了二次開發，對葉柵主流使用S-A湍流模型，對盤腔二次流使用SSTk-ω湍流模型，實現了分區耦合[5]。

創新算法應用研究則是利用全新的視角對計算模型進行再開發或對仿真方法進行新詮釋，另辟蹊徑地開展渦輪等發動機熱端部件的溫度場仿真工作，如分離渦（DES）模型、無網格方法、格子-玻耳茲曼（LBM）方法等。華北電力大學在導向葉片通道中分別采用層流模型、DES模型、全湍流模型和AGS轉捩模型，在轉子葉片通道中采用S-A湍流模型進行計算[6]；中國工程物理研究院和北京航空航天大學采用無網格SPH數值模擬方法，求解帶有內冷的高壓渦輪葉片的燒蝕問題；LBM方法作為一種介觀方法，能夠在微觀和介觀層次揭示流動換熱機理，但由于計算量大，目前該方法還未見用于渦輪仿真。

真實氣膜孔精細化仿真

未來發展方向

在未來的仿真技術發展中，基于科研需求與技術發展，還應在動態多學科、精細化和系統化等方向著重發力。

動態、多學科的仿真是在仿真技術不斷發展的過程中，由需求決定的自然衍化而來的發展方向。與穩態、單學科計算相比，動態、多學科的仿真可以考慮更多因素的聯合作用與綜合影響，計算條件更接近渦輪實際工作條件，使得計算結果更可信，與試驗研究的互鑒作用更加清晰直接。另外，還可以捕獲更多的信息，更深刻地揭示宏觀特性（如溫度場、壓力場）的內在機理，更有力地支撐冷卻結構設計和優化。

精細化的仿真可以捕捉如榫頭、伸根、緣板及倒角等復雜精細幾何模型中更多的流場、溫度場的定量細節特征，能夠更真實地描述壁面附近二次流等信息，對局部溫度場預測精度影響很大，為結構優化設計提供了更直接的依據。以氣膜孔的數值模擬計算方法為例，從用源項法到分塊復制法再到半真實/真實氣膜孔仿真法的進步，就是精細化仿真技術的發展應用。

系統化的仿真可以對多部件一體化計算，描述部件之間的交互作用，支撐未來多部件聯合設計技術的發展。仿真支持的計算對象從最早的單葉片、單通道，變為多葉片、多通道，再變為可描述相鄰葉片周向影響、相鄰葉片排之間相互影響的全環、整級/多級計算，最后到與空氣系統、燃燒室聯合的可描述相鄰部件對渦輪影響的多部件耦合計算。

結束語

發展準確的渦輪溫度場仿真技術和更加高效、精細化的冷卻設計一直以來都是至關重要的航空發動機科研布局，以保證更快捷、安全、可靠地進行渦輪部件研究。隨著計算機技術和計算科學的發展，工業界在計算渦輪溫度場時，包含因素、結構和部件越來越多，計算條件更貼近真實工況，渦輪溫度場仿真技術的發展已愈發體現精細化和系統化的趨勢。學術界針對渦輪溫度場仿真所側重的與模型、算法的應用研究，可為工業界提供更多的選擇。