[发明专利]带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法及网格拓扑方法

说明书

本发明公开了一种带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法及网格拓扑方法，参数化生成方法针对任意带分流叶片的半开式离心叶轮，以初始主叶片中性面形状数据、叶片厚度分布数据、分流叶片前缘位置、分流叶片偏转角度、叶片数以及前/尾缘叶顶间隙值为输入，生成自由曲面主叶片、具有与主叶片不同造型的非一致分流叶片以及具有自由曲面造型的非轴对称轮盘面，并生成封闭计算域，能够实现具有复杂全三维造型的半开式离心叶轮自动参数化生成，减少设计周期。网格拓扑方法与参数化造型方法相匹配，确定新型叶轮的造型设计后，能够借助网格划分软件，自动完成结构化网格的划分，节省人力成本，能够应用于需要进行大量样本计算的气动设计优化工作中。

技术领域

本发明属于航空航天技术领域，涉及一种带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法及网格拓扑方法。

背景技术

离心压缩机作为一种以流体为工质实现功能转换的旋转式机械，广泛应用于石化、冶金、民用空调及航空航天等领域，其性能的提升往往能够带来可观的经济效益。作为离心压缩机的核心部件，离心叶轮的空间几何造型将影响其内部工质的流动状况，这往往决定了机器性能的上限，因此气动设计是离心叶轮设计的重点。计算机科学技术发展的今天，专业的研究及设计人员往往借助计算流体动力学(CFD)的手段模拟一定几何造型下离心叶轮内部的流场，从而实现对设计方案的性能预测及改进。为了完成优良的设计，往往需要验证几十甚至上百种方案，这要求对叶轮的几何形状进行参数化的控制，并要求能够在任意几何形状下快速完成计算域的构建及CFD网格的绘制。

目前，用于离心叶轮参数化造型的成熟的商业化方案主要有Concepts NREC软件、NUMECA AutoBlade软件以及Ansys BladeGen软件等。对于带分流叶片的半开式离心叶轮，这些软件提供的方案能够实现主叶片的自由造型，并生成对应的计算域。目前方案的不足在于，仅对主叶片进行形状控制，而忽略了分流叶片以及轮盘面在气动设计中的作用。对于分流叶片，往往采用从主叶片截取一定长度的叶片作为其型面，而不是采用独立设计的型面；对于轮盘面，往往采用由叶根线旋成的回转面作为型面，而不是采用独立设计的自由曲面。

目前，用于离心叶轮结构化网格划分的成熟方案主要有NUMECA AutoGrid软件以及Ansys CFX TurboGrid软件。对于带分流叶片的半开式离心叶轮，这些软件提供的方案能够自动生成任意主叶片形状下单个流道内的网格拓扑，并在此基础上完成结构化网格的划分。这一类方案的基本原理是在不同叶高处的回转面上绘制自适应的二维拓扑，以适应不同叶高的叶形变化，通过连接各层的二维拓扑形成三维流道内的网格拓扑，从而完成结构化网格的绘制。这一类方案的不足之处在于，不能适应轮盘面自由凹凸下的几何空间，其原因是当轮盘面形状不再是回转面时，轮盘面附近的回转面网格拓扑将不能适应非回转面空间几何结构。这将导致无法自动生成用于计算的结构化网格，大大延长了设计周期，增加人力成本。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中仅对主叶片进行形状控制，而忽略了分流叶片以及轮盘面在气动设计中的作用，导致设计周期增加的问题，提供一种带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法及网格拓扑方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

带分流叶片的半开式离心叶轮参数化生成方法，包括以下步骤：

获取初始主叶片中性面形状数据、叶片厚度分布数据、分流叶片位置数据、叶片数、前缘叶顶间隙值和尾缘叶顶间隙值；

提取初始主叶片中性面形状数据进行参数化曲面重构，得到叶片轮廓造型，结合给定的凹凸控制参数，得到主叶片凹凸造型，生成主叶片中性面，主叶片中性面结合叶片厚度分布数据生成主叶片；

通过分流叶片位置数据生成初始分流叶片型面数据，对初始分流叶片型面数据进行参数化重构曲面后，得到分流叶片轮廓造型，结合给定的凹凸控制参数，得到分流叶片凹凸造型，对分流叶片凹凸造型进行整形后生成分流叶片；