Chap1-葉輪的流體動力學數(shù)字化設計

1、第第1章章 葉輪的流體動力學數(shù)字化設計葉輪的流體動力學數(shù)字化設計主要內容主要內容1.1 葉輪流體動力學數(shù)字化設計的任務1.2 葉輪的流體動力學設計理論與方法1.3 基于性能預測的葉輪流體動力學數(shù)字化設計方法1.4 葉輪流體動力學數(shù)字化設計技術的發(fā)展1.5 混流式轉輪的流體動力學數(shù)字化設計軟件開發(fā)1.6 商業(yè)通用葉輪數(shù)字化設計軟件介紹1.1 葉輪流體動力學數(shù)字化設計的任務葉輪流體動力學數(shù)字化設計的任務反問題：反問題：由給定的葉輪入口流速和葉輪前后蓋板形狀和葉片表面壓力（流速）分布，求出葉片形狀，其主要任務在葉片設計。葉輪流體動力學葉輪流體動力學設計屬于求解流體設計屬于求解流體動力學的反問題。動力

2、學的反問題。葉輪流體動力學初步設計的主要過程葉輪流體動力學初步設計的主要過程 確定設計工況參數(shù)確定設計工況參數(shù)確定葉輪型式，葉輪軸面流道確定葉輪型式，葉輪軸面流道計算軸面流速和確定軸面流線、計算軸面流速和確定軸面流線、S1流面流面葉片周向設計并得到空間葉片葉片周向設計并得到空間葉片數(shù)值計算分析葉片的幾何特性數(shù)值計算分析葉片的幾何特性轉換葉片三維幾何造型數(shù)據(jù)轉換葉片三維幾何造型數(shù)據(jù)1.2.1 葉輪的流體動力學設計理論及其發(fā)展葉輪的流體動力學設計理論及其發(fā)展1.2 葉輪的流體動力學設計理論與方法葉輪的流體動力學設計理論與方法葉輪設計理論葉輪設計理論一元設計理論一元設計理論二元設計理論二元設計理論準

3、三元設計理論準三元設計理論全三元設計理論全三元設計理論平面直列葉柵設計理論平面直列葉柵設計理論軸對稱有旋流動設計理論軸對稱有旋流動設計理論軸對稱有勢流動設計理論軸對稱有勢流動設計理論回轉回轉S1流面曲面葉柵設計理論流面曲面葉柵設計理論1.2.2 葉輪流體動力學初步數(shù)字化設計中的設計方葉輪流體動力學初步數(shù)字化設計中的設計方法選擇法選擇 在葉片式流體機械設計中，廣泛采用比轉速比轉速作為基礎來定性選擇葉輪設計理論。因為它與葉輪的幾何特性有定性關定性關系系，對于不同范圍比轉速的葉輪，軸面流道形狀不同，軸面速度的分布規(guī)律特點也不同，相應采用的流體動力學設計理論也應該不同。 基于各種設計理論，又產(chǎn)生了各種

4、具體的設計方法。 （1 1）葉片式水力機械葉輪葉片式水力機械葉輪 保角變換法保角變換法 升力法升力法 統(tǒng)計法統(tǒng)計法 奇點分布法奇點分布法 軸流式葉輪的軸流式葉輪的設計方法設計方法（2 2）徑流式和混流式葉輪的設計方法徑流式和混流式葉輪的設計方法(1)一元設計方法一元設計方法(2)二元設計方法二元設計方法u 軸對稱有勢流動軸對稱有勢流動 設計方法設計方法u 軸對稱有旋流動軸對稱有旋流動 設計方法設計方法（3） 準三元設計方法準三元設計方法（4） 三元設計理論三元設計理論1.3 基于性能預測的葉輪流體動力學數(shù)基于性能預測的葉輪流體動力學數(shù)字化設計方法字化設計方法1.3.1 基于性能預測的葉輪流體動

5、力學優(yōu)化設計思想基于性能預測的葉輪流體動力學優(yōu)化設計思想現(xiàn)有的設計理論：現(xiàn)有的設計理論：1 1）簡化）簡化 2 2）假設條件）假設條件 3 3）僅針對設計工況）僅針對設計工況基于性能預測的流體動力學優(yōu)化設計：基于性能預測的流體動力學優(yōu)化設計： 利用現(xiàn)有的葉輪設計理論和開發(fā)軟件來進行流體動力學初步設計，構造初始葉片曲面邊界，然后進行初始葉輪的三維正問題流動計算。在計算機上實現(xiàn)了“初步設計初步設計數(shù)值模擬試驗數(shù)值模擬試驗修改設計修改設計”的流動設計方法?；谛阅茴A測的葉輪數(shù)字化設計方法優(yōu)點：基于性能預測的葉輪數(shù)字化設計方法優(yōu)點： 1）預測出非設計工況性能，實現(xiàn)較大運行工況優(yōu)化，保證流體動力學性能。

6、 2）可對葉輪的結構性能和可制造性等方面進行評估 3）大大縮短葉片式流體機械的研究開發(fā)周期，降低成本。 1.3.2 基于性能預測的葉輪流體動力學數(shù)字基于性能預測的葉輪流體動力學數(shù)字化設計過程化設計過程教材教材P29圖1-3 基于性能預測的葉輪優(yōu)化設計過程1.4 葉輪流體動力學數(shù)字化設計技術的發(fā)展葉輪流體動力學數(shù)字化設計技術的發(fā)展從發(fā)展趨勢來看，葉片式流體機械的設計是趨于采用基于性能預測的優(yōu)化設計方法。將開發(fā)出的流體動力學設計專業(yè)軟件與通用的CAD/CFD/CAE相結合，是實現(xiàn)葉片式流體機械的數(shù)字化優(yōu)化設計的有效技術途徑。1.5 混流式轉輪的流體動力學數(shù)字化設計軟混流式轉輪的流體動力學數(shù)字化設計

7、軟件開發(fā)件開發(fā)轉輪數(shù)字化設計流程：轉輪數(shù)字化設計流程：轉輪設計參數(shù)的確定轉輪軸面流道形狀的設計確定計算流面的數(shù)字化方法軸面流速和軸面流線的數(shù)值計算方法葉片骨面的數(shù)字化設計方法流面上葉型加厚的數(shù)值方法葉片設計結果的表達方式軸面流道設計及離散化計算軸面流道設計及離散化計算軸面流網(wǎng)及流速數(shù)值計算軸面流網(wǎng)及流速數(shù)值計算葉片軸面截線數(shù)值計算葉片軸面截線數(shù)值計算葉片加厚數(shù)值計算葉片加厚數(shù)值計算葉片幾何計算葉片幾何計算葉片木模葉片木模初始流網(wǎng)初始流網(wǎng)一元理論一元理論二元理論二元理論給定軸面流場理論給定軸面流場理論繪制流網(wǎng)、流速曲線繪制流網(wǎng)、流速曲線一元理論一元理論二元理論二元理論給定軸面流場給定軸面流場繪制

8、軸面截線繪制軸面截線葉片光順葉片光順真實厚度計算真實厚度計算轉輪開口計算轉輪開口計算軸面及水平面投影圖軸面及水平面投影圖木模截面圖木模截面圖真實厚度表真實厚度表頭部尺寸表頭部尺寸表技術要求技術要求轉輪及葉片三維造型轉輪及葉片三維造型商業(yè)商業(yè)CAD軟件接口軟件接口使用說明使用說明通通用用混混流流式式轉轉輪輪水水力力設設計計及及三三維維造造型型系系統(tǒng)統(tǒng)設設計計人人員員登登錄錄 轉轉輪輪編編號號 設設計計聲聲明明（1） 轉輪軸面流道定義及離散化轉輪軸面流道定義及離散化軸面流道設計及離散化計算軸面流道設計及離散化計算確定軸面流道參數(shù)的輸入類型確定軸面流道參數(shù)的輸入類型“圓弧圓弧直線型直線型”流道流道“

9、離散型離散型”流道流道輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)是否修改是否修改輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)是否修改是否修改輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)是否修改是否修改是否修改是否修改輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)是否修改是否修改輸入流道及準正交線規(guī)律參數(shù)輸入

10、流道及準正交線規(guī)律參數(shù)YesYesYesYesNoNoNoNoNo(2) 軸面流網(wǎng)和軸面流速計算軸面流網(wǎng)和軸面流速計算 初始流網(wǎng)坐標初始流網(wǎng)坐標L(I,J)計算速度梯度方程的系數(shù)項計算速度梯度方程的系數(shù)項P(1)計算各準正交線上的流量分布計算各準正交線上的流量分布Q求解速度梯度方程，得到軸面速度求解速度梯度方程，得到軸面速度按等分流量反插出準正交線坐標按等分流量反插出準正交線坐標L1(I,J)等流量分布等流量分布dQL(I,J)-L1(I,J)L(I,J)為計算流網(wǎng)坐標為計算流網(wǎng)坐標對對L(I,J)沿準正交線松弛沿準正交線松弛流線迭代法流程（3） 葉片骨面葉片骨面 葉片骨面數(shù)值計算流程 進出口

11、邊滿意嗎進出口邊滿意嗎?輸入進出口邊數(shù)據(jù)，計算進出口輸入進出口邊數(shù)據(jù)，計算進出口角，顯示軸面流網(wǎng)及進出口邊圖形角，顯示軸面流網(wǎng)及進出口邊圖形骨面軸截線的計算骨面軸截線的計算輸入有關骨面軸截線計算的原始數(shù)據(jù)輸入有關骨面軸截線計算的原始數(shù)據(jù)以二元理論計算？以二元理論計算？交互修改每一條流線交互修改每一條流線上的上的Vur相對規(guī)律相對規(guī)律保角是否滿意保角是否滿意?以上冠保角為基礎，以上冠保角為基礎，給定軸截線面角度組給定軸截線面角度組對每一條流線反插對每一條流線反插出軸截線出軸截線YNNY用中間流線試調嗎？用中間流線試調嗎？交互修改交互修改Vur相對規(guī)律并積分相對規(guī)律并積分包角及軸面形狀是否滿意？包

12、角及軸面形狀是否滿意？以下環(huán)為基準積分，以下環(huán)為基準積分，顯示正面軸截線顯示正面軸截線結果是否滿意結果是否滿意?骨面軸截線計算完成骨面軸截線計算完成交互修改進出口邊形狀交互修改進出口邊形狀YYYYNNNN（4） 保角變換平面上加厚保角變換平面上加厚 葉片加厚計算葉片加厚計算輸入有關加厚規(guī)律及套加葉型等數(shù)據(jù)輸入有關加厚規(guī)律及套加葉型等數(shù)據(jù)骨面型線及厚度的保角變換計算骨面型線及厚度的保角變換計算保角變換平面上加厚得流面上葉型，顯示變換面上圖形保角變換平面上加厚得流面上葉型，顯示變換面上圖形光順處理及交互修改光順處理及交互修改反變換到加厚后的正、背面軸面截線，顯示各條軸面截線反變換到加厚后的正、背面

13、軸面截線，顯示各條軸面截線繪制保角變換面上的葉型繪制保角變換面上的葉型光順修改？光順修改？光順及交互修改軸面截線光順及交互修改軸面截線顯示正、背面軸面截線顯示正、背面軸面截線繪制正、背面軸面截線繪制正、背面軸面截線正、背面軸面截線計算完成正、背面軸面截線計算完成對葉型光滑修改嗎？對葉型光滑修改嗎？繪制保角變換面上的葉型嗎？繪制保角變換面上的葉型嗎？繪制軸截面線嗎？繪制軸截面線嗎？YYYYNNNN（5）葉片設計結果的表達）葉片設計結果的表達木模圖表達方式木模圖表達方式 沿流線方向規(guī)整化表達沿流線方向規(guī)整化表達三維幾何模型表達三維幾何模型表達1.6 商業(yè)通用葉輪數(shù)字化設計軟件介紹商業(yè)通用葉輪數(shù)字化

14、設計軟件介紹（1 1）比利時）比利時NUMECA公司開發(fā)公司開發(fā)FINE系列軟件系列軟件 （2）德國）德國CFturbo software&Engineering GMBH 公司開發(fā)公司開發(fā)CFturbo軟件軟件 （1 1） 比利時比利時NUMECA公司開發(fā)公司開發(fā)FINE系列軟件系列軟件 FINETM/Turbo結構化網(wǎng)絡分析軟件結構化網(wǎng)絡分析軟件IGGTMIGGIGGTMTM/AutoGrid/AutoGridEURANUSCFViewTM滑移網(wǎng)格滑移網(wǎng)格共軛傳熱共軛傳熱冷卻冷卻/抽吸抽吸流通計算流通計算可凝結流體可凝結流體多相流體多相流體邊界層轉換邊界層轉換相延遲相延遲并行計算并行計算空

15、化空化非線性諧函數(shù)非線性諧函數(shù)AutobladeTMAutoblade FittingDatabaseCFD WIZAROOptimizer多工況優(yōu)化多工況優(yōu)化多級優(yōu)化多級優(yōu)化準準3D分析和煩設計分析和煩設計FINE/Desigen2DFIND/Desigen3D優(yōu)化設計軟件優(yōu)化設計軟件NUMECA 系列軟件系列軟件uFINE 系列包括FINETM/Design3D（葉輪的優(yōu)化設計軟件包）和FINETM/Turbo（結構化多塊網(wǎng)格的流場數(shù)值模擬分析軟件包），兩個軟件包進行耦合嵌接使用，可以方便的實現(xiàn)基于流場數(shù)值模擬和性能預測的葉輪數(shù)字化優(yōu)化設計。u可以應用于： 離心/軸流/混流式壓氣機、渦輪、

16、泵、誘導輪、水輪機、擴壓器以及液力變矩器等的葉輪設計及優(yōu)化。 uAutoBlade主要用于進行葉輪參數(shù)化設計，包括軸面流道設計和葉型設計，通過“軸面流道位置葉片形狀葉片積疊軸面流道位置葉片形狀葉片積疊規(guī)律葉片安裝位置規(guī)律葉片安裝位置”來精確定義葉片形狀。uAutoBlade在進行葉輪流道設計時提供五種模板： Axial Compressor Axial Turbine Centrifugal Compressor Centrifugal Compressor With Splitter Radial Diffuser適用于：適用于：離心泵、向心透離心泵、向心透平、回轉彎道平、回轉彎道a) 主界

17、面主界面b) 定義流面定義流面c) 蓋板線定義方式蓋板線定義方式d) 定義積疊規(guī)律定義積疊規(guī)律e) 三維葉輪三維葉輪 38 /86 Copyright 2012FunctionFunction徑流和混流葉輪徑流和混流葉輪泵泵通風機和鼓風機通風機和鼓風機壓縮機壓縮機向心渦輪向心渦輪蝸殼蝸殼無葉擴壓器無葉擴壓器蝸殼橫截面蝸殼橫截面徑向徑向/ /切向出口擴散段切向出口擴散段l設計理論和最新經(jīng)驗公式的結合設計理論和最新經(jīng)驗公式的結合l驗證客戶設計結果驗證客戶設計結果l高效且易于操作高效且易于操作l對主流對主流CAECAE軟件的無縫接口軟件的無縫接口l操作系統(tǒng)：操作系統(tǒng)：Windows XP/Vista

18、/7Windows XP/Vista/7l固定節(jié)點型固定節(jié)點型/ /網(wǎng)絡浮動型網(wǎng)絡浮動型l用戶界面語言：英語用戶界面語言：英語/ /德語德語l在線手冊幫助在線手冊幫助（2） 專業(yè)高效易用的徑流專業(yè)高效易用的徑流/混流葉輪機械設計軟件混流葉輪機械設計軟件CFturbo 39 /86 Copyright 201239/8Turbomachinery design processTurbomachinery design processDimensioning,Design CFturboGrid generationICEM-CFD, TurboGrid,Pointwise, Gambit, CA

19、DCatia, SolidWorks, UG-NX,ProE, BladeGen, ProductionOptimization:interactiv or automaticMeasurementRapid Prototyping,ValidationCFD/FEM SimulationANSYS-CFX, CCM+,CFdesign, FineTurbo, 40 /86 Copyright 201240/8Semi-automated Turbo DesignSemi-automated Turbo DesignGrid generationCFD simulationANSYSCFX,

20、FluentPointwiseANSYSFluentNumecaFINE/TurboSTAR CCM+PumpLinxPushbuttonCFDCFdesignICEM-CFD, TurboGridPointwise/ GridgenG/Turbo, GambitAutoGrid, IGGCD-adapcoSimericsConcepts NRECBlue Ridge NumericsTurbo designCFturbo 41 /86 Copyright 201241/8Turbomachinery DesignTurbomachinery DesignCFturboNew / improv

21、ed3D geometryFundamental fluid equationsEulers equation of turbom.,Continuity,Momentum equation,Velocity triangles, Empirical functionsPublicly available Experiences,In-house know-HowExisting, externalgeometryReference geometryfrom CFturboMachine design pointm, H/Dp, n,Fluid properties,Inlet boundar

22、y conditions 42 /86 Copyright 201242/8nq=20nq=50nq=65nq=92Pump DesignPump Design 43 /86 Copyright 201243/8切向出流，矩形橫截面：矩形邊角倒圓矩形邊角倒圓梯形非對稱圓形徑向出流，圓型徑向出流，圓型切向出流，圓形Volute DesignVolute Design 44 /86 Copyright 2012 主要尺寸參數(shù)dN, dS, d2, b2, z,b2/d2,nq,NPSH,cm1/cms 子午面輪廓contour, leading edgeBezierline + arc 葉片型線s

23、hape, thickness, angles3D, 2Dcircular 中線shape, wrap, b-progressionBeziercircular 輪廓thickness distributionvariableconstant 3D幾何visualization, export泵通風機葉輪設計流程葉輪設計流程 45 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程開始開始l選擇葉輪設計選擇葉輪設計l選擇蝸殼設計選擇蝸殼設計 46 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程主要尺寸設計主要尺寸設計輸入體積流量、壓頭、轉速和密度輸入體積流量、壓頭、轉速

24、和密度進口預旋狀態(tài)進口預旋狀態(tài)蓋板間隙蓋板間隙旋轉方向旋轉方向葉片數(shù)葉片數(shù) 47 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程主要參數(shù)給定主要參數(shù)給定無量綱系數(shù)無量綱系數(shù)水力效率、機械效率、容積效率水力效率、機械效率、容積效率 48 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程主要尺寸計算主要尺寸計算轉軸直徑轉軸直徑葉輪進出口尺寸葉輪進出口尺寸 49 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程子午形狀定義與顯示子午形狀定義與顯示 50 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程綜合性能圖標顯示綜合性能圖標顯示l設計點是否在推薦

25、范圍內設計點是否在推薦范圍內 51 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程子午輪廓調整子午輪廓調整l曲率、靜矩、截面面積曲率、靜矩、截面面積 52 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程子午輪廓調整子午輪廓調整（鼠標拖動（鼠標拖動/ /輸入數(shù)值）輸入數(shù)值） 53 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程視圖顯示效果視圖顯示效果 54 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程葉片幾何角設計葉片幾何角設計 55 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程進出口幾何角設計進出口幾何角設計l三維曲面、

26、單圓弧、直葉片、變曲率葉片三維曲面、單圓弧、直葉片、變曲率葉片 56 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程進出口幾何角設計進出口幾何角設計速度三角形速度三角形l展向截面數(shù)調整展向截面數(shù)調整 57 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程進出口幾何角設計進出口幾何角設計數(shù)值顯示數(shù)值顯示l展向截面數(shù)調整展向截面數(shù)調整 58 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程子午面流動子午面流動l絕對速度子午分量、相對速度絕對速度子午分量、相對速度 59 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程中弧線幾何參數(shù)中弧線幾何參數(shù) 60 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程中弧線幾何參數(shù)中弧線幾何參數(shù)l手工拖動或輸入數(shù)值手工拖動或輸入數(shù)值 61 /86 Copyright 2012葉輪設計流程葉輪設計流程中弧線幾何參數(shù)水平中弧線幾何參數(shù)水平視圖顯示視圖顯示 62 /86 Copyright 2012