首先我們來感受一下葉輪機(jī)械的定義：葉輪機(jī)械是以連續(xù)流動的流體為工質(zhì)，以葉片為主要工作元件，實現(xiàn)工作元件與工質(zhì)之間能量轉(zhuǎn)換的一類機(jī)械（從可讀性上來說，作者對這個定義是拒絕的）。舉一個形象的栗子吧，電風(fēng)扇工作時，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，風(fēng)扇動起來，然后葉片與空氣相互作用，帶動了空氣的運(yùn)動，葉片的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為周圍空氣的動能，形成了“人造風(fēng)”，這就是一個非常簡單的葉輪機(jī)械啊！

電風(fēng)扇（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

說起來，電風(fēng)扇也算是航空發(fā)動機(jī)中的葉輪機(jī)械的近親了，因為在發(fā)動機(jī)中，有N排類似的風(fēng)扇，當(dāng)這些風(fēng)扇葉排按照半徑從大到小排列，就形成了壓氣機(jī)部件，按半徑從小到大排列，就形成了渦輪部件。壓氣機(jī)和渦輪即為航空發(fā)動機(jī)中的主要葉輪機(jī)械。

典型的航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

當(dāng)發(fā)動機(jī)工作時，空氣連續(xù)不斷地被吸入壓氣機(jī)，并在其中進(jìn)行壓縮增壓后，進(jìn)入燃燒室中噴油燃燒成為高溫高壓的燃?xì)猓S后再進(jìn)入渦輪中膨脹做功，該膨脹功一部分通過傳動軸傳給壓氣機(jī)，用來壓縮吸入燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)的空氣，另一部分則對外輸出，產(chǎn)生反作用推力，從而為發(fā)動機(jī)提供動力。如此看來，葉輪機(jī)械可以說是航空發(fā)動機(jī)動力提供者中的扛把子了，其設(shè)計自然也是重中之重。

航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部流動有多復(fù)雜？簡單說，就是存在三維流動、激波、邊界層、二次流、轉(zhuǎn)捩、失速、喘振和轉(zhuǎn)靜干涉……看得人心好累！正是因為航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部流動如此復(fù)雜，所以早期的研制過程要經(jīng)歷研究-設(shè)計-試驗-修改設(shè)計-再試驗的多次迭代過程。對于一臺新型發(fā)動機(jī)而言，一般需要100000小時的零部件試驗、40000小時的附件試驗和10000h的整機(jī)試驗，這么多試驗、這么長時間，再加上巨額的研制經(jīng)費(fèi)（全新研制的大推力發(fā)動機(jī)GE90研制經(jīng)費(fèi)30億美元），你說你是不是要肝兒顫了（耗時耗力耗錢，咋辦？）。但是同學(xué)不要急，科技在發(fā)展，時代在進(jìn)步，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，航空發(fā)動機(jī)的研制過程也要跟隨時代的步伐，不能out了，那是啥？那就是CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真技術(shù)。那啥是CFD仿真，簡單的說就用采用計算機(jī)來做虛擬的實驗，模擬實際的流體流動情況。

早在上個世紀(jì)90年代開始，美國、英國和俄羅斯等國家就開始發(fā)展包括CFD和CSD在內(nèi)的航空發(fā)動機(jī)高保真數(shù)值仿真預(yù)測技術(shù)，美國的“先進(jìn)模擬和計算”（Advanced Simulation and Computing）計劃、發(fā)動機(jī)數(shù)值仿真系統(tǒng)( Numerical Propulsion System Simulation)計劃，俄羅斯的渦輪發(fā)動機(jī)計算機(jī)試驗技術(shù)（CT3）計劃等。 CFD仿真軟件也從零維、一維、二維發(fā)展到了現(xiàn)在的三維，通過CFD仿真航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計人員更加清楚的了解到發(fā)動機(jī)內(nèi)部的流動特點(diǎn)，在設(shè)計中可以快速的找到最優(yōu)的設(shè)計方案，目前CFD仿真的應(yīng)用使得新型航空發(fā)動機(jī)的研制周期縮短了一半，試驗樣機(jī)從原來的40~ 50臺減少到10臺左右，更為重要的是采用CFD仿真進(jìn)行方案設(shè)計迭代在很大程度上減少了對試驗數(shù)據(jù)庫的依賴，大大降低了研制的風(fēng)險和研制費(fèi)用。可以說，CFD仿真在手，設(shè)計速度~嗖嗖~

CFD仿真技術(shù)發(fā)展應(yīng)用與SNECMA公司風(fēng)扇氣動性能提升對比[1]（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

經(jīng)過以上內(nèi)容的介紹，相信讀者盆友們對CFD的前世今生和神奇功效已經(jīng)有了初步的認(rèn)識。做葉輪機(jī)械的CFD計算通常要建立控制方程（Navior-Stockes方程），生成網(wǎng)格，選擇合適的數(shù)值格式，還要通過各種物理模型來模擬復(fù)雜流動，有時候還要考慮非定常效應(yīng)，不可謂不復(fù)雜，但一旦建立起成熟的方法論體系，并依此編寫出了穩(wěn)定、準(zhǔn)確、高效的代碼，還是有“一勞永逸”的功效的。雖然現(xiàn)如今的CFD“技藝”還遠(yuǎn)不能說高超，但經(jīng)過幾十年的努力，還是發(fā)展了許多成熟的技術(shù)，為CFD仿真保駕護(hù)航。在葉輪機(jī)械的CFD計算中，有代表性的技術(shù)例如精細(xì)網(wǎng)格的生成、轉(zhuǎn)捩模型，動靜交界面處理和氣膜冷卻等等。以上種種，且聽咱CFD人慢慢道來。

CFD計算的第一步總是對流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分，即把模擬的流場求解域近似劃分成足夠小的一個個單元體，從而在足夠小的單元體上流動變量可認(rèn)為變化不大，每個單元上的Navier-Stokes方程求解就可以簡化近似。目前發(fā)展較為成熟的網(wǎng)格類型有結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和混合網(wǎng)格。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)排列有序，可以人為地控制網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的分布，編程處理上也比較簡單，但遇上復(fù)雜幾何外形，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成往往非常困難。

結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格示意（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對復(fù)雜幾何外形適應(yīng)力強(qiáng)，節(jié)點(diǎn)和單元的分布可控性好，適用于流體機(jī)械中復(fù)雜結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的生成。但非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)排列無序、存儲量大，并且不能很好地處理粘性問題。

混合網(wǎng)格取以上兩種網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)，在物面用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，內(nèi)部用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格填充。要用好混合網(wǎng)格，需要解決結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格交界面處的非一致網(wǎng)格連接問題。

混合網(wǎng)格示意圖

接下來讓我們把視線從網(wǎng)格轉(zhuǎn)移到流場求解上。

層流和湍流是流體的兩種形態(tài)，從層流轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鞯倪^程稱之為轉(zhuǎn)捩，在低壓渦輪中就常常有轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象的發(fā)生。轉(zhuǎn)捩對于航空發(fā)動機(jī)的性能有著重要的影響。然而由于層流和湍流有著不同流動特性，轉(zhuǎn)捩一直是流體力學(xué)研究領(lǐng)域中一個老大難問題。

對于轉(zhuǎn)捩問題的研究，除了可以更加全面深入地理解從層流演化至湍流的變換機(jī)理以外，在工程中還能夠有效地控制轉(zhuǎn)捩過程，在不同的情況中根據(jù)工程實際需要去抑制或誘發(fā)、推遲或提前轉(zhuǎn)捩的發(fā)生。因此轉(zhuǎn)捩模擬雖難，CFD人還是基于RANS方程發(fā)展了眾多轉(zhuǎn)捩模型來模擬這一現(xiàn)象，并且取得了一定的成就。例如Menter的 轉(zhuǎn)捩模型，基于間歇因子 的SST三方程轉(zhuǎn)捩模型，以及Song Fu & Liang Wang轉(zhuǎn)捩模型。加入轉(zhuǎn)捩模型后的流動計算能夠捕捉到邊界層從層流到湍流的細(xì)微變化，提高CFD模擬的準(zhǔn)確性。

轉(zhuǎn)捩過程示意圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

再來看葉輪機(jī)械CFD仿真中存在的一種特殊問題，動靜交界面。壓氣機(jī)與渦輪的葉片總是一動一靜交替排列，在進(jìn)行CFD計算時是如何處理的呢？

1992年Denton[2]提出基于穩(wěn)態(tài)流場計算摻混面方法，其方法大致如下：對于一個轉(zhuǎn)子和一個靜子構(gòu)成的兩排葉片的模型，前后兩排葉片共有的截面即稱為摻混面。在摻混面的兩側(cè)，流動狀態(tài)從內(nèi)部網(wǎng)格外推到邊界面上，然后通過插值的方式傳遞到兩側(cè)具有相同徑向位置的網(wǎng)格點(diǎn)上，并且在這些網(wǎng)格點(diǎn)上進(jìn)行周向平均，混合過程結(jié)合了交界面一側(cè)的變量和另一側(cè)的周向平均變量。在每一次迭代計算中，上游葉排出口邊界條件由下游葉排在摻混面上的切向平均參數(shù)確定，下游葉排進(jìn)口邊界條件由上游葉排在摻混面上的切向平均參數(shù)確定。摻混面法采用周向平均的方法進(jìn)行葉排與葉排之間的數(shù)據(jù)傳遞，相當(dāng)于把上游出口和下游進(jìn)口都假設(shè)成均勻流，所以各個葉排的計算域只需要包含一個葉片通道，這樣就大大的減少了計算量。

動靜交界面處理

不同于摻混面法，滑移平面法用于非定常計算，計算中流場域是瞬態(tài)的。動葉區(qū)和與靜葉區(qū)隨著時間存在空間相對移動，動葉區(qū)不再是固定的，因此動葉區(qū)也被稱做動網(wǎng)格區(qū)。靜葉區(qū)和動葉區(qū)之間的數(shù)據(jù)傳遞在滑移面處進(jìn)行的，不是通過簡單的切向平均，而是通過插值。

動網(wǎng)格示意圖（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

想要更加準(zhǔn)確地模擬航空發(fā)動機(jī)內(nèi)的流場，還要考慮到葉輪機(jī)械本身擁有的一些特殊的結(jié)構(gòu)，例如渦輪葉片上的氣膜孔。渦輪葉片并不是默默承受著從燃燒室噴出的高溫氣體哦，仔細(xì)看渦輪葉片，會發(fā)現(xiàn)葉片上開了一排排的小孔。

葉片表面氣膜孔

由壓氣機(jī)引出的冷氣從這一排排小孔呈一定角度流出，在渦輪葉片外部主流壓力和邊界層吸附效應(yīng)的作用下，貼服在壁面附近，形成溫度較低的冷氣膜，將壁面同高溫燃?xì)飧綦x，并帶走部分熱量，從而對壁面起到良好的冷卻保護(hù)。

因為氣膜孔尺寸較小、數(shù)目較多，在CFD計算時，若對全部氣膜孔劃分網(wǎng)格將會導(dǎo)致計算資源需求巨大，因此計算時可將排列規(guī)則的氣膜孔簡化成較大的冷氣孔或整條的冷氣縫，只要保證冷氣流量、密度、總溫、射流方向與試驗或設(shè)計要求一致即可。另外一種應(yīng)用廣泛的方法是源項法，有體源項、通流源項、面源項等近似方法，這一類方法總體的思路是在固壁網(wǎng)格上施加源項來模擬真實的氣膜孔，可避免孔內(nèi)網(wǎng)格的劃分，簡化計算量。

 雖然如今的CFD仿真技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)θ~輪機(jī)械中的諸多復(fù)雜流動現(xiàn)象進(jìn)行模擬，但發(fā)動機(jī)行業(yè)革新不止，CFD生命不息，必須以更高的精度，更快的速度來滿足不斷提高的模擬要求。關(guān)于CFD未來的發(fā)展方向有很多,在這里并不能一一細(xì)說,但可以挑選一些與航空發(fā)動機(jī)葉輪機(jī)械密切相關(guān)的方向簡要談?wù)劇?/p>

葉輪機(jī)械中的流動以湍流為主，而工程中廣泛應(yīng)用的湍流模擬方法為基于渦粘性假設(shè)的RANS方法，由于這種方法是將流動的質(zhì)量、動量和能量方程進(jìn)行統(tǒng)計平均后建立起模型，因此得到的流場信息不夠多，面對葉輪機(jī)械內(nèi)的復(fù)雜流動，RANS方法有時也是力不從心。因此，工業(yè)界正在積極尋求一種精度和可靠性更高的湍流數(shù)值模擬模型。最有希望取代RANS模型的是LES模型和混合RANS-LES模型。雖然LES的計算成本比RANS高得多，但是有些渦輪區(qū)域的Re并不是很高，同時高性能計算機(jī)正在取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，所以用LES來輔助工業(yè)設(shè)計將在不久的未來成為可能。

在葉輪機(jī)械非定常計算、顫振分析中，相鄰葉排葉片數(shù)不同導(dǎo)致精確模擬流動細(xì)節(jié)時可能使用全環(huán)非定常計算，但這在設(shè)計中是幾乎難以接受的時間周期和計算成本，為此，我們需要開發(fā)高精度的簡化模型，例如在非定常流動計算中如果周期邊界和滑移面采用相位延遲邊界條件，就可以把非定常的計算域縮減到各葉排只有一個通道，極大簡化計算量，此類方法稱為相位延遲法，目前已廣泛應(yīng)用于多排葉輪機(jī)械流動的非定常、顫振等計算中。其他簡化模型例如小擾動線化法、非線性諧波法、諧波平衡法、時間擬合法等，也都是為了精細(xì)模擬非定常流動、氣彈等問題而提出的。

全周計算簡化

CFD技術(shù)要想完整地模擬發(fā)動機(jī)的工作過程，必然涉及到多學(xué)科耦合，如流體，燃燒，傳熱，結(jié)構(gòu)，壽命，強(qiáng)度等等。以渦輪葉片的仿真設(shè)計來說，需要葉片氣動做功效率，葉片的最高溫度，強(qiáng)度，振動和壽命等同時滿足要求，傳統(tǒng)的計算步驟是串行式的，即先對葉片造型做氣動分析，判斷是否滿足要求，然后做熱分析，再做強(qiáng)度、振動等分析，這將大大延長設(shè)計周期，也很難找到最佳設(shè)計。因此先進(jìn)發(fā)動機(jī)設(shè)計要求進(jìn)行氣熱固多學(xué)科的耦合計算，從而可大大減少設(shè)計周期，尋找到設(shè)計空間最佳解。這就要求CFD軟件中集成氣熱固耦合模型，綜合各學(xué)科之間的相互影響[2]。

氣熱固耦合計算（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

航空發(fā)動機(jī)設(shè)計時通常是在均勻進(jìn)氣條件下進(jìn)行的，但在實際工作的多種大氣環(huán)境和工作狀態(tài)下，實際進(jìn)氣條件是非均勻的，也即存在進(jìn)氣畸變問題。進(jìn)氣畸變通常來源于進(jìn)氣道氣動問題，發(fā)動機(jī)瞬變過程與控制響應(yīng)，外流氣體吸入，地面渦吸入，分流板分離等有關(guān)。

進(jìn)氣畸變（圖片來自網(wǎng)絡(luò)）

進(jìn)氣畸變會對發(fā)動機(jī)性能產(chǎn)生一定影響，特別是對發(fā)動機(jī)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，可能會使得風(fēng)扇/壓氣機(jī)提前失速，從而降低了工作裕度，威脅飛行安全。在航空發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性評估中，進(jìn)氣畸變是一項核心內(nèi)容，從而發(fā)展實用、可靠的預(yù)測方法和模型稱為發(fā)動機(jī)設(shè)計中的重要問題。目前工程中應(yīng)用的主要還是一維流動模型、平行壓氣機(jī)模型和激盤模型等，在三維和多級耦合效應(yīng)上不夠精確，未來需要發(fā)展準(zhǔn)確的三維非定常周向平均體積力模型，全環(huán)非定常雷諾平均等模型[3]。

OK~嘮了這么多，總的來說，CFD技術(shù)在葉輪機(jī)械的模擬中已經(jīng)成功得到應(yīng)用，但是仍然有很多挑戰(zhàn)等著我們。挑戰(zhàn)讓CFD保持著旺盛的生命力，因此道路是艱辛的，但前途是光明的。

參考文獻(xiàn)

[1]Escuret, J.F., Nicoud, D. and Veysseyre, Ph. (1998). Recent advances in compressor aerodynamic design and analysis. In Integrated Multidisciplinary Design of High Pressure Multistage Compressor Systems, RTO-LS-111, AC/323 (AVT) TP/l, ISBN 92-837-1000-2, RTO/NATO Paris, France.

[2] Denton J.D., The Calculation of Three-Dimensional Viscous Flow Through MultistageTurbomachines, Journal of Turbomachinery, 1992, January, Vol.114

[2]尹澤勇等. 航空發(fā)動機(jī)多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化，北京，北京航空航天大學(xué)出版社

[3]趙勇. 風(fēng)扇/壓氣機(jī)非設(shè)計點(diǎn)性能計算和進(jìn)氣畸變影響預(yù)測方法研究，南京，南京航空航天大學(xué)，2008年