（动力机械及工程专业论文）汽轮机头部流场数值模拟及结构改进.pdfVIP

大连理工大学硕士学位论文 摘要 工业汽轮机在我国的能源和工业生产中使用广泛，因此工业汽轮机的研发和应用占 有十分重要的地位。本文研究的对象为杭州汽轮机有限公司生产的6 0 0 m w 电站给水泵 汽轮机，该机型目前在国内市场上应用广泛，占有率很高。但是随着汽轮机设计技术水 平的不断提高，该产品已显示出设计技术老化，热效率偏低，竞争力不强的弱点。因此 对其进行对其进行技术改进，可以带来一定的经济效益的同时也可以带来很好的环境效 益和社会效益。 本文研究的内容为汽轮机头部的气动性能，利用p r o e ，i c e m c f d 及s t a r - c d 软 件对汽轮机头部流场建立一个三维的数值模拟计算平台。对内部流场进行数值模拟，并 详细分析内部流场的气动性能，提出改进结构设计的建议和方法。 针对数值模拟分析过程中发现的问题，本文对汽轮机头部阀门进行了分析改进，改 善了内部气动性能。本文对汽轮机调节级的结构设计进行了初步探讨，分析了影响叶栅 气动性能的主要因素。使用n u m e c a 软件包的d e s i g n 3 d 模块对动静叶片进行改进设 计，尝试以改变叶片型线的方法来减少叶片的型面损失为主，从而到提高叶栅气动性能。 并运用子午面收缩静叶栅的设计技术改善静叶的气动性能。通过对改进方案进行数值计 算，结果表明，对调节级的改进效果明显，单级效率提高了1 5 7 个百分点。 本文的研究工作在一定程度上为汽轮机头部流场分析和阀门、调节级设计提供了建 设性的意见，所尝试的调节级叶片改进设计方法可以为汽轮机叶片设计研发缩短研制周 期，提高效率，节约成本。 关键词：汽轮机；数值模拟；结构改进 汽轮机头部流场数值模拟及结构改进 n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o wi n s i d et h eh e a do ft u r b i n e a b s t r a c t i n d u s t r i a ls t e a mt u r b i n ei sw i d e l yu s e di np o w e rp l a n t ，c h e m i c a li n d u s t r ya n dm a n yo t h e r i m p o r t a n tf i e l d s t h ep e r f o r m a n c e so ft h ei n d u s t r i a ls t e a mt u r b i n e sh a v eg r e a ti n f l u e n c eo n t h en a t i o n a le c o n o m ys t e a mt u r b i n ed r i v i n gf u m a c ef e e dw a t e rp u m po f6 0 0 m wp o w e rp l a n t i so n eo ft h ek e yp r o d u c t si nt h ei n d u s t r i a ls t e a mt u r b i n em a r k e ta n dt h e r ei s ag r e a t d e m a n d i n gi nt h ec u r r e n tm a r k e t t h ei m p r o v e m e n to ft h ed e s i g no ft h es t e a mt u r b i n em a y b r i n gag r e a tp r o f i t ，e c o n o m i c a l l y ，e n v i r o n m e n t a l l y , o rs o c i a l l y t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es t e a mt u r b i n e ，i ti sc r u c i a lt ou n d e r s t a n dt h ef l o w s t r u c t u r ei nt h em a c h i n e b a s e do nt h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e ，s t a r c d ，a n u m e r i c a la n a l y t i cp l a t f o r mw a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r ，a f t e rad e t a i l e dd i s c u s s i o no ft h e f l o wc o n t r o l l i n ge q u a t i o n ，t u r b u l e n c em o d e l i n g ，d i s c r e t i z a t i o no ft h eg o v e m i n ge q u a t i o n ， g e o m e t r ym o d e l i n go ft h es t e a mt u r b i n e ，m e s hg e n e r a t i o n ，b o u n d a r yc o n d i t i o n ，e t c t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so f t h ef l o wi nt h eh e a do f t h es t e a mt u r b i n ew e r ep r e s e n t e d b a s e do nt h ec a r e f u la n a l y s i so ft h ef l o wf i e l d ，t h ek e yf a c t o r sa f f e c t i n gt h ep e r f o r m a n c e o ft h em a c h i n ew e r ed i s c u s s e da n dv a r i o u sm e a s u r e sw e r ep r o p o s e dt oi m p r o v et h ed e s i g no f t h es t e a mt u r b i n e s o m em o d i f i c a t i o n sw e r em a d es oa st oi m p r o v et h es t a b i l i z a t i o no ft h e i n t e r n a lf l o wa n dt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea sw e l l i n t e n s i v er e s e a r c h e sw e r ec a r r i e do u to nt h eb l a d ep r o f i l em o d i f l c a t i o nw i t ht h e d e s i g n 3 d am o d u l eo fn u m e c a ，i na t t e m p tt or e d u c et l l ea e r o d y n a m i cl o s s e si nt h es t a t o r b l a d e sa n dr o t o rb l a d e sa sw e l l r e s u l t si n d i c a t et h a tt i pc o n v e r g e n te n dw a l lt e c h n i q u e sc a l l e f f e c t i v e l yr e d u c et h ef l o wl o s s e si nt h es t a t o rb l a d e ，a n dr o t o rb l a d ec a nb ee f f e c t i v e l y m o d i f i e db yar e d e s i g no f t h eb l a d ep r o f i l ea no v e r a l le f f i c i e n c yi n c r e a s eo f1 5 7p e r c e n tw a s a c h i e v e dw i mi n t e n s i v en u m e r i c a le x p e r i m e n t t h er e s e a r c hr e s u l t sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sm a y p r o v i d es o m eg u i d e l i n ef o rt h ed e s i g no f t h ei n f t o wt u r b i n e t h en u m e r i c a la n a l y t i cp l a t f o r mf o rt h ef l o wi nt h ei n f l o wt u r b i n e d e v e l o p e dt ob eap o w e r f u la n dp r a c t i c a lt o o li nt h ed e s i g no ft h ei n f l o wt u r b i n et h a tc a n s h o r t e nt h ed e s i g nc y c l ea n dc u tt h ed e s i g nc o s te f f e c t i v e l y k e yw o r d s ：s t e a mt u r b i n e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；s t r u c t u r em o d i f i c a t i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：圜! 堕日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 同3 饧 导师签名：窆叠型 跏石年c 土月纠日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题研究的背景及意义 随着人类生活水平的不断提高，对能源的消耗量也在逐年增大，而地球的能源资源 却是非常有限的。因此，目前能源与环境问题已经成为当今世界面临的两个极其严峻的 问题。合理利用能源、减少能源浪费和损失，同时控制对环境的污染，已成为世界各国 解决能源与环境问题的一个共同手段。 叶轮机械是以连续流动的流体为工质，以叶片为主要的工作元件，通过工质与工作 元件的相互作用以实现机械功与流体能量有效转换的机械的通称，包括蒸汽轮机、燃气 轮机、水轮机等动力机械和泵、压缩机、风扇等工作机械。e l i 叶轮机械作为当代最主要的动力装置之一，广泛地应用于航天、航空、航海、电站、 动力、交通运输、化工及冶金等工业部门，是目前主要的能源消耗者。提高这些机械的 运行效率，可以更充分地利用有限的能源，提高经济效益，因此，积极地致力于提高叶 轮机械效率的研究具有极其深远的战略意义。 工业汽轮机在工业生产中具有广泛的应用范围，从热经济性上分析来说，工业汽轮 机提供了热电联和生产及废热综合利用的手段，因此给企业带来了可观的经济效益；从 驱动的角度看，工业汽轮机具有明显的优越性，它启动扭矩大、转速高，可以直接和高 转速的压气机、鼓风机和泵直接相联，并不需要齿轮增速机构；此外工业汽轮机具有较 大变速范围，能够适应被驱动机械的变工况条件；同时工业汽轮机具有结构设计紧凑、 运行安全可靠等优点。 汽轮机通流部分的损失包括两大部分，即级内损失和级外损失。级内损失包括：叶 型损失、二次流损失、隔板漏汽损失、动叶顶部漏汽损失、余速损失、叶轮摩擦鼓风损 失、部分进汽损失、湿汽损失。级外损失包括：阀门节流损失、轴封漏汽损失、导汽管 压力损失、排汽缸损失、机械损失。如图1 1 所示。1 2 - 3 本课题的原型就是采用杭州汽轮机股份有限公司生产的电站给水泵汽轮机，该型汽 轮机为七十年代引进机型。随着汽轮机设计技术的不断发展，市场竞争日益激烈，为了 提高该产品的市场竞争力，采用目前比较成熟的汽轮机设计和改进技术，运用计算流体 动力学手段对汽轮机的通流部分进行改进设计，以提高汽轮机的热效率和市场竞争力。 由于阀腔几何形状复杂，其内部流动是具有强烈的三维特征的粘性非定常流动，对 其进行数值模拟具有一定的难度。近年来，随着c f d 技术和计算机技术的飞速发展以 及对汽轮机各部件气动效率的不断追求，对汽轮机进汽阀的数值研究逐步开展起来。事 汽轮机头部流场数值模拟及结构改进 机械损失 图1 1 汽轮机内部损失分布 f i g 1 1t y p i c a lt u r b i n es t a g ee f f i c i e n c yl o s s e s 实上通过对阀腔内部流动细节的了解，不但有助于理解损失的机理，而且有助于理解造 成振动的原因。一般而言，阀门内部流场变化剧烈的地方往往是损失较大的地方，同时 也往往是导致阀门振动的激振源。国际上各大汽轮机制造厂商和有关研究机构都进行了 有关数值研究，但由于各种原因，对阀门内部流动的详细研究很少公开报道。到目前为 止所有的数值研究均没有考虑阀腔内部流动的非定常性，也没有进行包括阀碟、阀杆运 动的流动耦合计算。 g e 公司在提高汽轮机通流效率方面所付出的努力和取得的效果有目共睹，近年来 g e 公司对涉及蒸汽流动各环节都进行了大量研究。c f d 在汽轮机的通流部分各部件的 优化设计中发挥的作用也越来越大。g e 公司利用自己开发的计算软件n o v a k 3 d 对汽 轮机的进汽阀进行了数值模拟。【4 5 】据文献4 作者称，数值模拟提供了阀门内部的流动 细节，加深了g e 公司的设计者对流动现象的理解，为他们深入研究阀门内部的流动损 失产生的原因提供了依据。根据数值模拟所得到的理解，采取适当的改进措施时的阀门 的压损降低3 0 。遗憾的是文献中没有给出任何阀门内部流动特征和改进措施。 法国航空航天部门在研究k i n e t i c k i l l v e h i c l e s 的末段轨道修正所采用的比例转向阀 时也采用了数值模拟手段。【6 】进行飞行器轨道控制是通过调整一系列阀门的喷射流量实 现的。 大连理工大学硕士学位论文 西安交通大学热力涡轮机教研室与某研究所合作对某型舰用汽轮机的进汽阀箱进 行了研究。【7 】数值模拟利用了p h o e n i c s 软件，采用结构化网格，s i m p l e s t 算法，k e 湍流模型，近壁处理采用了壁面函数，在生成网格时整个阀箱内部全部被网格充满， 采用空度概念来处理流场内部的固体如阀碟，阀杆等。邛】虽然受计算条件限制所进行的 计算还比较粗糙，但是也得到了流场分布的大致情况，与实验结果吻合较好。通过所得 到的流场细节，对该阀箱的内部结构进行简单改造可以明显降低蒸汽压损。 s i e m e n sk w u 公司在汽轮机的通流部分各部件的气动性能优化方面也进行了大量 卓有成效的工作。【9 】对于从进汽阀到排气缸的几乎所有通流部件都进行了数值研究。 a l s t o m 公司也利用包括p h o e n i c s 在内的一些c f d 软件对进汽阀、进汽室以及排 汽缸等非叶片通道进行了数值研究。1 1 0 1 可以看到，迄今为止，对汽轮机进汽阀的数值研 究工作主要是由各大汽轮机制造厂商独立进行的，由于种种原因，他们所给出的往往只 是宣传性的内容，没有提供阀门内部的流动细节和相应的改进措施。1 1 1 调节级是喷管配汽式汽轮机的第一级。根据汽轮机各级的工作条件和结构特点，与 中间各级相比较，调节级的设计对汽轮机在设计与非设计工况下的运行经济性和安全性 有着更为重要的影响，也存在着更多的技术难点。在这级中，动叶栅的气动与强度特性 则又对整台汽轮机的性能具有特殊的，甚至是关键的作用。动叶栅不仅是影响机组效率 的重要环节，也是叶片损坏的事故频发区。原因在于，调节级是喷管配汽式汽轮机的第 一级，级的工作蒸汽压力高，密度大，因而静叶与动叶的叶高做得较小，叶栅展弦比l b ( 相 对叶高) 一般小于1 。特别是由于部分进汽及变工况的原因，调节级动叶栅承受着比一般 级动叶更大的动应力，根据强度要求，动叶必须设计得很宽，因而展弦比比静叶栅的更 小。对于超临界汽轮机与超超临界汽轮机，叶栅的这一特点更为突出。由于很小的展弦 比，叶栅的二次流损失在叶栅总损失中占很大比重，二次流对叶栅气动性能会产生很大 影响。这也是调节级级效率比其它级低2 6 的主要原因。【1 2 】 1 2c f d 技术在叶轮机械中的应用及s t a r - c d 、n u m e c a 软件简介 随着科学技术的进步和经济的发展，许多领域对高性能的流体机械需求越来越迫 切。为了适应社会的需求，需要进行试制和大量试验参数测量等工作，为此需要耗费大 量的资金和时间。显然，为了设计出高性能的流体机械，传统的设计方法已满足不了工 业生产的需要，必须采用现代设计理论和方法。这就要求设计者必须详细掌握流体机械 性能和内部流动状况，从而给流体机械内部流动理论和试验研究提出了新的课题。研究 流体流动的方法有理论分析、实验研究和数值模拟三种。对叶轮机械内部流动实验测量 时，要求的实验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而使实验研究受到了很 汽轮机头部流场数值模拟及结构改进 大的限制。而数值模拟将以其自身的特点和独特的功能，与理论分析及实验研究一起， 相辅相成。逐渐成为研究流体流动的重要手段，形成了新的学科计算流体动力学。 近年来，随着高性能计算机的普及，以及c f d 方法的深入研究，其可靠性、准确性、计算 效率得到很大提高，展示了采用c f d 方法用计算机代替试验装置和“计算试验”的现 实前景。c f d 方法具有初步性能预测、内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用【”】。 在设计制造流体机械时，一般的过程为设计、样机性能试验、制造。如果采用c f d 方法通过计算机进行样机性能试验，能够很好地在图纸设计阶段预测流体机械的性能和 内部流动产生的漩涡、二次流、边界层分离、尾流、叶片颤振等不良现象，力求在设计 初期解决可能发生故障的隐患。 计算流体动力学( c f d ) 在2 0 世纪8 0 年代左右取得了不少重大进展。在高速可压 缩流动方面，基于总变差减d 、( t o t a lv a r i a t i o nd i m i n i s h i n g ，t v d ) 1 1 4 q 6 与矢通量分裂 ( f 1 1 1 】【v e c t o rs p l l i t t i n g ) 1 7 q 8 1 、通量差分分裂( f l 慨d i f f e r e n c es p l i t t i n g ) 1 9 - 2 0 等方法的高 精致格式( h i g hr e s o l u t i o ns c h e m e ) 终于较好地解决了流体力学的一大难题跨、超音 速计算的激波精确捕获。而采用传统的人工黏性方法的j a m e s o n 【2 1 1 格式等在这方面也 取得很大的成功。多层网格与残差光顺【2 2 - 2 3 ( r e s i s u a ls m o o t h i n g ) 等加速收敛技术有效 地减少了三维流动模拟的巨大计算工作量。而在低速不可压流动方面，利用人工可压 缩性方法与压力校正法等对n a v i e r - - s t o k e s 方程组的直接求解取代了局限性很大的流函 数一涡量法等传统解法，从而也促进c f d 技术向流体传热、多相流、燃烧与化学反应 流等领域迅速扩展与深入。这些进展在很大程度上促进了c f d 技术的实际应用。 目前通过计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟，c f d 方法将在一定程度上取 代实验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模拟可提供丰富的流场信息， 为设计者设计和改进流体机械提供依据。因此，c f d 方法是现在和未来研制流体机械必 不可少的工具和手段，它使设计者以最快、最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求 提高性能的设计思想和设计方案，从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说c f d 方法为流体机械设计提供了新的途径。 本文对汽轮机头部进行的数值求解采用学术界、工业界普遍接受的流体力学软件 s t a r - c d 。该软件采用基于完全非结构化网格和有限体积方法的核心解算器，具有丰富 的物理模型、最少的内存占用、良好的稳定性、易用性、收敛性等特点。s t a r c d 是 一种用于对热流现象进行分析的强有力的c f d 工具，由于s t a r - c d 提供了从对象的几 何设计到流体特性计算分析的全过程，并具有开放性特点，为工程设计提供便利，辅助 并优化流体工程设计和分析，所以该软件在很多领域得到了广泛的应用。 s t a r c d 系统主要由两部分模块组成：求解器模块s t a r 和预处理器、后处理器模块p r o s t a r ， 一4 大连理工大学硕士学位论文 另外s t a r - c d 在两大模块中提供了用户二次开发接口，用户可根据需要编制 p o r t r a n 子程序并通过s t a r - c d 提供的接口函数来达到预期的目的。其他一些 c a d c a e 系统与s t a r - c d 同样可通过接口程序连接起来。s t a r - c d 在处理旋转机械 时提供了两种方法：旋转坐标系和动网格。多个旋转坐标系方法可以模拟不同坐标系下 以不同角速度旋转的流体间的相对运动。因此，可以容易地应用于透平机械、变矩器、 混合容器、轴流离心泵和导风扇的流动问题中。其基本思想是通过给各个指定区域加入 合适的旋转项以模拟网格间的相对运动，实际上网格并不旋转。在旋转坐标系下，动量 方程中考虑了科氏力和离心力的影响。s t a r c d 还自动的为这些力在相应的方程中加 入了旋转源项。各个区域的相对运动是通过交接面两侧的速度变换实现的，并对两侧的 流动作了周向平均。这种简化的近似处理对于多级透平这样的多区域旋转运动是非常有 用的。 关于该方法的数值实现，s t a r - c d 提供了显式和隐式两种方法。隐式方法对网格 拓扑有特殊要求，不同旋转区域间的网格必须一一对应，但是不必定义区域间的边界条 件。并且，显式方法不如隐式方法容易收敛。相对而言隐式方法比较容易实现，并且它也 是s t a r - c d 中的默认选项，因此在模拟向心透平动、静部分流场之间相对运动时，选 择了多个坐标系的隐式方法( m u l t i p l e r e f e r e n c ef t a m e s i m p l i c i t m e t h o d ) 。 本文在研究调节级内流动时所使用的n u m e c a 软件是c f d 应用软件中的后起之 秀，这个软件的前身是布鲁塞尔自由大学与瑞典航空研究所共同为欧洲空间发展中心 但s a ) 开发的航天飞行器计算软件“e u r a n u s ”， 后来发展为通用性的商业化软件， 9 0 年代中期才开始推向市场。由于它的前身是计算高速流动的专业级软件，从而软件的 核心部分一离散格式与解法，以及跟求解密切相关的多层网格等方面的质量很高。其中 心格式采用了j a m e s o n 人工黏性显格式，上风格式采用基于t v d 与通量差分分裂方法 的高精致格式，方程求解采用多步r u n g e - - - - k u t t a 法，低速计算采用预条件法等，并采用 了多层网格与隐式残差光顺法等加速收敛技术。该软件的主体部分是在9 0 年代初编制 的，这些技术体现了当时c f d 的最高水平。i m e c a 后来重点发展其叶轮机械流动计 算模块，由于其高速流动计算的性能很强，从而对于包含跨、超音速区的高速压缩机、 汽轮机等的模拟具有明显优势。下面分别简要介绍其功能强大的f 姗爪瓜b o 和 f i n e d e s i g n 3 d 子模块： f i n e 小瓜b o 可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘性或无粘 内部( 其中包括任何叶轮机械：轴流或离心，风机，压缩机，泵，透平等。单级或多级， 或正机，或任何其它内部流动：管流，涡壳，阀门等) 流动的数值模拟。 汽轮机头部流场数值模拟及结构改进 网格生成器包括i g g 和a u t o g r i d ：其中i g g 可生成任何几何形状的结构网格。 采用准自动的块化技术和模板技术。生成网格的速度及质量均远高于其它软件； a u t o g r d 可自动生成任何叶轮机械( 包括任何轴流，混流，离心机械，可带有顶部、 根部间隙，可带有分流叶片，等) 的h 形，i 形和h o h 形网格。该软件已经被国际工 业部门认为是目前用于叶轮机械速度最快、最方便及网格质量最好的网格生成软件。 求解器e u r a n u s ：求解三维雷诺平均的n s 方程。采用多重网格加速技术；全 二阶精度的差分格式；基于m p i 平台的并行处理；可求解任何二维、三维、定常月陶： 常、可压不可压，单级或多级，或整个机器的粘性无粘流动。可处理任何真实气体； 有多种转静子界面处理方法；自动冷却孔计算的模块：多级通流计算；自动初场计算： 湿蒸汽计算；共额传热计算；气固两相流计算等等。其多级( 1 0 级以上) 求解性能良好。 功能强大流动显示器c f v i e w ：可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。特别是可处 理和制作适合于叶轮机械的任何s l 和s 2 面，及周向平均图。该软件已经被国际工业部 门认为是用于叶轮机械最好的后处理软件。 f i n e d e s i g n 3 d 是一个空前新颖的，用于新型、高效三维叶型设计和优化的软件 工具。它给用户提供了一个设计叶轮机械的新概念。该软件是在国际上( 日、美、欧) 叶轮机械行业各主要企业的协作下发展的。它以用户定义的多参数目标函数，以及几何 和机械等方面的约束，来定义设计性能目标。该优化设计过程是全自动的，优化范围可 覆盖约束之内的整个空间，而不像其它软件采用仅能覆盖非常有限个点的人工尝试和修 改的方法。 1 3 网格生成 网格生成是数值模拟复杂的流动现象的关键问题之一。网格生成的类型、质量直接 影响到数值解和计算精度，甚至影响数值计算的收敛性。对网格系统的要求一般有如下 几点： 2 5 1 1 贴体性- 网格应与求解区域的边界相适应； 2 光滑性在求解域内应保证局部网格上的扭曲和拉伸缓慢； 3 正交性一物面和外边界附近的网格要正交或近似正交，以保证边界条件处理的精 度； 4 合理分布性一在流动参量变化剧烈的局部区域加密。同时，网格间距大小要逐渐 过渡。 一6 大连理工大学硕士学位论文 1 3 1 强大的网格生成工具i c e m c f d 目前世界上主要的网格划分软件有i c e m c f d ，g r i d g e n ，h y p e r m e s h ， g a m b i t ，p r o a m ，i g g 等。本文选用了i c e m c f d 来对流场区域进行网格划分，它 是一款世界顶级的c f d 前后处理器，可为所有世界流行的c f d 软件提供高效可靠的分 析模型。它除了提供其它软件具有的普通前后处理功能外，还具有强太的c a d 模型修 复能力、自动中面抽取、独特的网格“雕塑”技术以及网格编辑技术。i c e m c f d 软件 是目前c a e 业内最为通行的c f d 前处理网格生成软件，能制作出高质量的六面体网 格、四面体网格或者混合网格。它可以生成： 1 四面体智能网格快速形成四面体网格； 2 三棱柱边界层网格在四面体的基础上快速生成三棱柱边界层网格( 四面体网格 收缩，三棱柱网格“长出”) ； 3 六面体网格在复杂结构中构造子块拓扑空间( b l o c k ) ，可以将任意复杂的形体 划分成映射六面体网格； 4 四，六面体混合网格一在连接处自动生成金子塔单元； 5 o 型网格技术自动生成六面体边界层单元。 i c e m c f d 提供了与其它c f d 、c a e 软件众多的接口，它与p r o e 、c a t i a 、u g 、 s o l i d w o r k s 、i d e a s 等知名c a d 软件有直接接口，可以导入常用的几何模型标准文件格 式如p a r as o l i d 、s t e p 、i g e s 、d w g 等；可以按照1 0 0 多个求解器的格式输出网格。 i c e m c f d 的网格生成模块有t e t r a 、p r i s m 、h e x a 、a u t o h e x a 、c a r t 3 d 。其 中t e t r a 模块是基于八叉树算法的网格生成器，可以自动生成表面网格，空间四面体 网格。其特点主要有：可以直接从几何模型表面生成空间网格，并定义各几何表面上 网格尺寸和空间容积中网格的尺寸；可以设置网格的周期性如旋转和平移；可将 一个模型的四面体网格与其余模型的四面体、六面体网格进行合并，包括混合网格的生 成；灵活的网格加密与粗化功能；方便的网格光滑处理功能；网格的质量检查 与网格修改、编辑功能。p r i s m 可以在四面体网格基础上生成棱柱形的边界层网格。 h e x a 可以为复杂的形体灵活的生成六面体网格。a u t o h e x a 模块可以自动生成简单 形状的几何体( 长方体，圆柱体等) 的六面体、四面体和笛卡尔网格。c a r t 3 d 模块用 于生成直角笛卡尔网格。 h e x a 模块用来生成复杂形体的多块分区网格，可以为航空航天领域、汽车领域、 计算机领域和化工应用领域生成计算所需的高质量网格。它提供了一种基于投影的网格 生成环境，代表了六面体网格生成的一种新的方法。在h e x a 中块的拓扑可以直接在 c a d 模型上产生，并且块的拓扑可以进行平移、旋转、镜像和比例放大操作。它的分 汽轮机头部流场数值模拟及结构改进 块拓扑采用了一种被称为t o p d o w n 的方法。其网格划分过程如下：对初始的块进行 块的划分以使其大致符合几何体的形状；删去不需要的块；对各块的边、顶点与几 何体的曲线、点建立投影联系；调整各块的顶点和边以使拓扑关系更加合理；设置 各块的网格参数并生成空间网格。有时第4 第5 步要进行多次，反复调整参数以提高网 格的质量。 i c e m c f d 网格生成的精华是0 型网格的特殊的拓扑构造。对于非常复杂的几何 体，h e x a 模块可以自动的生成内部的或外部的o 型网格以使网格拓扑更好的适合几何 形体确保生成高质量的网格。图1 2 列出了经典的圆截面采用0 型网格后网格质量的显 著改善。 图1 2 非。型网格与o 型网格截面的对比 f i g 1 2 c o m p a r i s o n o f t h eg r i d b e t w e e n n o n - o t y p e g r i d a n d o t y p e g r i d 各个块的网格质量是由它的各个边上的网格参数来共同决定的。边上的网格参数包 括网格的节点数目，间距变化规律，边起点处的网格长度及扩展比，边终点处的网格长 度及扩展比。i c e m c f d 软件为用户提供了种类丰富的网格间距变化规律，并且用户也 可以自己定义网格间距的变化规律。软件已经定义好的间距变化规律有b i g c o m c t r i c ， u n i f o r m ，h y p e r b o l i c ，p o i s s o n ，c u r v a t u r e ，g e o m e t r i cl ，g e o m e t r i c2 ，e x p o n e n t i a ll ， e x p o n e n t i a l2 ，b i e x p o n e n t i a l ，l i n e a r ，s p l i n e ，f u l l c o s i n u s ，h a l f c o s i n u s1 ，h a l f c o s i n u s 2 。本文在网格划分中用到了b i g e o m e t r i c ，u n i f o r m ，l i n e a r 网格间距变化规律。 h e x a 模块提供了方便的网格质量检查功能并可以将质量差的网格单元单独显示 出来以提示用户进行调整。其中“决定数( d e t e r m i n a n t ) ”是个很重要的检查参数。“决 定数”是网格单元变形度的量度，如果所有网格的决定数都大于o 0 5 o 1 那么大多数的 大连理工大学硕士学位论文 求解器都可以顺利进行解算。i c e m c f d 推荐所有的计算网格的决定数最好大于0 3 。【2 6 1 但是“决定数”越大，网格的质量越好，对数值计算的精度、速度和收敛性越有利。 1 3 2n u m e c a 提供的网格生成模块 n u m e c a 中专门针对旋转机械而开发了强大的网格生成系统i g g 网格生成 器。i g g 采用分区结构网格对各种复杂的几何结构内、外部流场进行网格划分。与其它 一些采用点、线、面、体的思路，最终在“体”的基础上划分网格的网格生成软件不同， i g g 是基于“块”的概念，采用吸附及自匹配技术，仅需给出几个必需的面或线来确定 网格线或网格面的走向，便可直接生成块中的网格。i g g 在生成网格过程中采用了许多 先进的技术，例如：蝶型网格技术( b u r 卜一可以根据几何结构特点，自动分成内部区 和外部区，分别生成网格，此技术在近圆形截面结构的网格生成中，可以极大提高网格 的质量。多块网格连接技术根据相邻两个网格块在对接面上的网格点分布情况进行 网格连接。针对网格点分布情况的不同共有三种连接方式：匹配网格连接( c 咿一相 邻两个网格块对接面上的网格点分布完全一致，且没有内网格线，将两个网格块拼接成 为一个网格块，大大减少网格的设置和修改的工作量；不匹配网格连接( n m b 卜相邻 两个网格块对接面形状完全一致，但是网格点分布不同时，使用插值方法进行交接面的 数值传递，而不需要网格连续的要求。完全不匹配网格连接( f v i b 卜相邻两个网格 块对接面形状不一致，网格点分布也不同，进行完全不匹配连接，利用插值进行数值传 递，此技术对于生成复杂几何结构的结构化网格非常有利，可以很容易生成多部件复杂 几何流道的高质量结构化网格。 i g g 特有的a u t o g r i d 子模块，可自动对任何叶轮机械( 包括任何轴流，混流，离 心机械，可带有顶部、根部间隙，分流叶片，突台，密封等) 几何形状复杂的叶片流道 进行网格划分，生成h 形、i 形或h o h 形网格，确保网格正交化的最优控制及网格点 在边界层上的合理分配以准确反映粘性的影响。a u t o g f i d 的一个显著优点是，针对旋转 叶轮机械，可以从总体上控制叶轮流道的网格节点的分布，网格局部加密，以及整体加 密的方式等；通过集成化的批处理操作，自动生成适应这些网格节点分布的初步网格， 并随时根据输入的节点数日来计算总体网格数目，这样就可以使网格调整过程中的操作 对总体网格的影响更好地显现出来，以提高生成网格的效率。a u t o g r i d 网格生成时间周 期短，且网格质量较高，这是其它通用性流体计算商业软件所不能比拟的。【2 7 j 一9 一 汽轮机头部流场数值模拟及结构改进 1 4 论文的主要内容 本文的工作重点是对汽轮机头部流场进行几何建模，对计算域进行适当的网格划 分，从而对汽轮机的头部流场进行数值模拟，定性地分析汽轮机内部流场的情况，对现 有设计方法进行探讨和改进。 本课题的研究内容是与杭州汽轮机股份有限公司的合作项目。工作重点是采用目前 先进的计算流体动力学方法对现有汽轮机的通流元件进行数值模拟，对内部流场进行分 析，进而探讨提高汽轮机气动性能的方法。 主要内容包括： 利用c a d 软件对汽轮机的通流部分建立几何模型，搭建计算平台； 利用s t a r - c d 软件对头部流场进行数值模拟计算，全面分析流场的气动性能； 在分析的基础上，对头都结构各部分( 包括主汽阀，调节汽阀，调节级等) 提出改 进方案，探讨不同的设计方法对汽轮机头部气动性能的影响； 在分析的基础上，对调节级进行数值模拟研究，借助f i n e d e s i g n 3 d 软件对叶片进行 改进设计，降低叶片的型面损失，提高叶栅的整体气动性能。 本文共分五章，各章的主要内容如下： 第一章介绍了课题的理论意义和应用价值，国内叶轮机械研究发展现状，简要介绍 了s t a r - c d 和n u m e c a 软件的功能和网格生成工具。 第二章应用s t a r - c d 软件完成汽轮机头部流场的数值模拟与分析，通过对计算结 果的详细分析，讨论影响气动性能的因素，为下一步结构的优化设计提供依据和指导方 向。 第三章主要针对汽轮机头部的优化设计进行了初步的探讨。通过一系列的结构改进 得到了比较理想的主汽阀，调节阀的结构 第四章用n u m e c a 软件完成对调节级的结构优化。 最后在结论中总结全文所做的工作内容和取得的成果，对文中存在的问题进行了分 析并提出了对未来工作的展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 汽轮机头部流场的数值模拟 第一章介绍了课题的理论意义和应用价值，国内叶轮机械研究发展现状，简要介绍 了s t a r - c d 和n u m e c a 软件的功能和网格生成工具。要对其进行流动分析和结构优 化，必须建立起头部流场数值模拟完整的数学模型。本章将对头部流场的计算域进行几 何建模，对计算域内流场进行计算网格的划分，并设定流动计算所需的边界条件和其它 参数，完成汽轮机头部流场的数值模拟工作。根据本章数值模拟的结果，就可以对汽轮 机头部各通流元件内部流场进行分析，掌握其流动规律。 2 1 汽轮机头部流场的几何模型简介 图2 1 是汽轮机头部流场模型，它包括主汽阀，调节阀，调节级及调节级与反动级 的连接体。该汽轮机正常工作时，群阀提板上的i ，调节阀开，阀关闭。每个 调节阀对应一个喷嘴组，每个喷嘴组由7 个叶片组成。动叶包含1 3 1 个叶片。动叶部分 和连接体内壁为转动部件( 转速为5 2 7 0r p m ) ，其余部分均为静止部件。为了保证出口流 场的稳定性，对出口进行了一定的延伸。 图2 1 汽轮机头部流场几何模型及滤网，调节阀的示意图 1 主汽阀；2 喷嘴组；3 动叶；4 连接体 f i g 2 1t h eg e o m e t r ym o d e lo f t h eh e a do f t u r b i n e 2 2 计算模型 2 2 1 控制万程 1 ) 连续方程【2 8 】 从宏观角度来看，流体是连续介质，其流动具有连续性，也就是说流体是连续的充 满了所占据的空间，流动时不形成空隙。这个条件称为连续性条件。流体运动还应遵守 质量守恒定律，流体的连续方程就是质量守恒定律的一种特殊形式。流体的连续方程为 塑g t + 必g x + 掣+ 幽g z = 。 ( 2 ) 其中，t 时间 p 密度 u x , “，：流体在笛卡尔坐标系中x ，y ，z 坐标方向上的速度分量 对于稳定流动，粤：0 ，则( 2 1 ) 式变为 讲 掣+ 掣+ 掣：o 旺2)ox o y 应 对于不可压缩流体，p 为常数，则( 2 2 ) 式变为 等+ 豢+ 丝：o(23)g a k加z 、“。7 2 ) 粘性流体的n - s 方程 粘性流体的运动方程，又称n a v i e r - s t o k e s 方程，其具体的形式如下 户鲁= 一砉圳等+ 等+ 等，7 1 昙c 警+ 等+ ，鲁= 一考+ 警+ 等+ ，+ 争号謦专+ 参 p 鲁= 膨一塞州警+ 等+ 等，掣1 昙c 等+ 等+ 大连理工大学硕士学位论文 其中，瓦d = 昙+ u x 昙+ ，熹+ 1 4 z 昙 c 2 流体的粘性系数 x ，y ，z 一作用在微元体单位质量上的质量力在x ，y ，z 方向上的分量 对于理想流体，i z = o ，则式( 2 4 ) 变为欧拉方程，即 堕一x 1 鱼 d t p o x d u y ：y 一一1 鱼 d t po y 丝：z 一三至 ( 2 6 ) d t p a z 2 2 2 计算网格 头部流场的网格由主汽阀，调节汽阀，调节级及连接体组成。计算网格由i c e m c f d 软件中的t e t r a 及h e x a 模块生成。由于主汽调节阀的结构比较复杂，流速较低，并 图2 2 计算网格 f i g 2 2c o m p u t a t i o n a lm e s h 汽轮机头部流场数值模拟及结构改进 有滤网存在，对其进行了四面体网格划分。滤网厚度为l m m ，生成网格时忽略了其厚 度。调节级和调节级与反动级的连接体流速较高，因此对其进行了六面体网格的划分。 为了提高计算的精度，任意相邻的两个网格的长宽比不能相差过大。但是叶片进、出口 处的网格较密，所以要求与这些块相接处的网格要密些。i c e m - c f d 的h e x a 模块提 供了多种网格的间距变化关系供选择，可以方便灵活地实现这个功能。比如h e