葉片冷卻
關注創建者：SoftInWay中國 創建時間：2021-02-02
葉片冷卻的視頻教程
使用AxSTREAM NET進行燃氣輪機葉片冷卻模擬
本視頻節選自SoftInWay公司往期研討會——《NET葉片冷卻模擬》 SoftInWay是一個已有20年歷史，全球設有多個辦公室的葉輪機械領域的專業公司，公司旗下擁有自主研發的集設計，分析和優化為一體的專業葉輪機械設計軟件平臺AxSTREAM。
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葉片冷卻的實例教程
目前，先進的燃氣渦輪發動機渦輪燃氣進口溫度已經達到1800~2050K，遠遠超過了材料的可承受溫度，所以必須采用有效的冷卻方式來降低葉片溫度。
本文將演示利用中文版STAR CCM+軟件進行渦輪冷卻葉片氣熱耦合計算的工作過程，計算模型源自STAR CCM Online公眾號的文章：渦輪葉片冷卻。葉片為靜止導葉，內部帶有兩彎三通道的冷卻冷卻結構，前緣通道布置了擾流肋，尾緣通道有圓形的擾流柱，冷氣僅從上緣板的排出，冷氣與燃氣不摻混。計算模型為分為三個域，分別是燃氣、冷氣和固體葉片。葉片和燃氣域兩側均為旋轉周期面。
1.模型導入
新建模擬—選擇并行—邏輯處理器數量（16核）—文件—導入—導入面網格文件“blade.dbs/coolflow.dbs /hotflow.dbs”
2.幾何處理
壓印
為創建交界面共節點網格，必須對不同實體進行壓印操作。操作過程：幾何—操作—新建—布爾運算—壓印—分別壓印“blade/coolflow”和“blade/hot.flow”。
創建周期
計算模型為單個葉片，兩側為周期性邊界，需在幾何操作中創建周期，以便形成共節點網格（與壓印類似）。操作過程：按Ctrl多選blade表面中的Per1/Per2，右鍵創建周期。在接觸—周期轉換中設定成旋轉，燃氣周期域設置方法相同。
3.區域及邊界條件
將幾何中的零部件分配給區域，并自動創建接觸模式界面。
燃氣域
a. 流體入口速度邊界[350, 0, -99]m/s
b. 流體入口溫度邊界：使用表（r）導入溫度場。（首先在工具—表中，將csv文件導入）
c. 流體壓力出口：0 Pa
冷氣域
a.
展開 比利時的CENAERO研究中心采用MpCCI聯合對渦輪葉片的冷卻系統進行了仿真。其中固體傳熱計算采用Abaqus，內部流場計算采用它自己開發的三維流體求解器Argo，外部流場計算采用渦輪機械專用軟件elsA。
葉片的結構模型采用四面體二次單元463,000個，外部流體單元大約320萬，由8個處理器進行計算 ，冷卻通道流體單元大約630萬。
經過70次交換，得到了穩態的溫度場分布。
在葉片附近的流場溫度分布顯示出一個V型的冷卻區域，這是由葉片和冷卻壁附近的二次流的相互作用而產生的，參見下圖。
結論：考慮流固耦合情況下，固體和流體界面之間的熱流和溫度是未知的，熱邊界條件是經過流體和固體反復迭代達到熱平衡時的熱流和溫度條件，通常會使計算精度提高10%。
展開 在渦輪機行業，用流體冷卻渦輪葉片是常見的做法 流經冷卻孔。由于刀片中的溫度梯度， 會產生熱應力，從而導致葉片失效。
在典型的熱應力分析中，溫度被計算出來，然后應用為 應力分析的荷載條件。雖然可以解決 溫度通過對共軛傳熱進行建模 計算流體動力學 （CFD） 代碼，它需要大量的 計算資源。CFD 的降階模型，假設一維流 通過孔，可以提供一種廉價的解決方案，而不會造成重大損失 準確性。由于通過冷卻孔的質量流量是已知的，因此經驗 薄膜系數的關系可用于模擬來自 刀片到流體。
現代航空燃氣渦輪發動機為了獲得更高的推重比和熱效率，不斷提高渦輪入口溫度，目前已經遠遠超過了葉片材料的熔點溫度，因此必須引入冷卻空氣對葉片材料進行冷卻，常用的冷卻方式包括：柱肋冷卻、強制對流冷卻、氣膜冷卻等。如何在不增加冷卻空氣流量的前提下盡可能降低葉片溫度成為渦輪冷卻設計工程師的重要關注點。
在渦輪冷卻設計中涉及到眾多的設計參數選擇和優化問題，目前優化技術越來越多的成為產品創新設計中的重要環節；基于高精度的流熱固耦合仿真計算和各類數學優化算法的大規模HPC并行計算，對提升渦輪葉片冷卻設計效果無疑將起到重要的推動作用。
工程師在渦輪冷卻葉片初步設計方案的基礎上，建立其流熱固耦合仿真模型，以各冷卻通道位置、壁厚、各回路冷氣用量、局部冷卻特征（如柱肋、氣膜孔）參數為設計變量，以渦輪葉片整體降溫需求為約束，以最少冷氣量為目標，利用優化算法不斷改進上述設計變量直到獲得最佳設計方案：
1、基于Ansys Workbench的流熱固耦合仿真
渦輪葉片在工作過程中，高溫燃氣、渦輪冷卻葉片、冷卻氣體間存在實時對流換熱，氣動載荷和溫度載荷等會導致渦輪冷卻葉片發生變形，因此渦輪冷卻葉片是一個典型的流-熱-固耦合分析問題。
展開 現代航空燃氣渦輪發動機為了獲得更高的推重比和熱效率，不斷提高渦輪入口溫度，目前已經遠遠超過了葉片材料的熔點溫度，因此必須引入冷卻空氣對葉片材料進行冷卻，常用的冷卻方式包括：柱肋冷卻、強制對流冷卻、氣膜冷卻等。如何在不增加冷卻空氣流量的前提下盡可能降低葉片溫度成為渦輪冷卻設計工程師的重要關注點。
在渦輪冷卻設計中涉及到眾多的設計參數選擇和優化問題，目前優化技術越來越多的成為產品創新設計中的重要環節；基于高精度的流熱固耦合仿真計算和各類數學優化算法的大規模HPC并行計算，對提升渦輪葉片冷卻設計效果無疑將起到重要的推動作用。工程師在渦輪冷卻葉片初步設計方案的基礎上，建立其流熱固耦合仿真模型，以各冷卻通道位置、壁厚、各回路冷氣用量、局部冷卻特征（如柱肋、氣膜孔）參數為設計變量，以渦輪葉片整體降溫需求為約束，以最少冷氣量為目標，利用優化算法不斷改進上述設計變量直到獲得最佳設計方案：
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基于Ansys Workbench的流熱固耦合仿真
渦輪葉片在工作過程中，高溫燃氣、渦輪冷卻葉片、冷卻氣體間存在實時對流換熱，氣動載荷和溫度載荷等會導致渦輪冷卻葉片發生變形，因此渦輪冷卻葉片是一個典型的流-熱-固耦合分析問題。
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葉片冷卻的最新內容
在渦輪機行業，用流體冷卻渦輪葉片是常見的做法 流經冷卻孔。由于刀片中的溫度梯度， 會產生熱應力，從而導致葉片失效。
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一期一會 | 什么是湍流？8個月前
在燃氣輪機的燃燒和冷卻中，湍流有助于實現更高效的燃燒并改善渦輪葉片的內部冷卻。混合攪拌應用也會利用湍流來加速材料的組合或更快地溶解顆粒。
在另一個應用領域，血流的示例可以很好地說明湍流是如何導致問題的。血液中渦流引起的剪切應力可能導致血栓形成，在血液中形成凝塊，并阻擋流動。
一鍵算出材料缺陷+3D建模黑科技11個月前
人機交互革命
手勢控制：Leap Motion支持空中手勢操作三維模型
VR集成：通過Varjo XR-4頭顯實現亞像素級精度的虛擬現實分析
語音指令：支持中英日等7國語言的語音控制分割閾值調整
四、典型應用場景實錄
案例1：航空發動機葉片檢測
問題：某型渦輪葉片內部冷卻通道的陶瓷涂層出現微裂紋
Avizo方案：
采用相位對比CT數據（voxel size=0.8μm
另外，隨著發動機葉片設計技術的發展，出現了空心氣膜孔冷卻葉片。這種具有復雜內腔的空心葉片，只能夠采用熔模鑄造的工藝進行生產。在這種需求下，國內外逐漸發展出了一系列具有良好高溫性能的鎳基鑄造高溫合金牌號。
鎳基高溫合金材料在20 世紀40 年代初期的英國被首次發現，其在噴氣式航空領域的應用使很多工業生產商注意到了合金材料性能的重要性。
葉片還與流經冷卻管道的空氣進行熱交換，如下圖所示。風道的幾何形狀經過簡化，不包括細節，例如用于增加冷卻表面積的肋條。通過這種表示方法，我們可以利用 J. Bredberg 的論文 “
Turbulence Modelling for Internal Cooling of Gas-Turbine Blades
“中的平均努塞爾數相關性來計算等效傳熱系數。
隨著渦輪進口溫度的上升，渦輪葉片的冷卻技術也得到不斷發展。最早的典型冷卻方式有對流冷卻、沖擊冷卻、氣膜冷卻等。
對流冷卻
是最簡單的冷卻方式，最大冷卻效果僅可達250℃左右。
渦輪葉片的高效氣膜冷卻直接影響航空發動機和燃氣輪機的最高工作溫度，進而影響系統的可靠性、能量效率等一系列關鍵性能。因此，熱端部件先進氣膜冷卻孔的低損傷加工是航空發動機性能提升之重大關鍵。
圖1. 熱端部件先進氣膜冷卻孔低損傷加工是航空發動機性能提升的重大關鍵。
Burdet和Abhari估計準確模擬膜冷卻渦輪葉片所需要的網格點數在5000萬到1億個。由此可知，隨著發動機正向研制的深入，航空發動機仿真對象復雜度和網格規模快速提高，其龐大的計算量亟須E級計算技術的支持。
目前，先進的燃氣渦輪發動機渦輪燃氣進口溫度已經達到1800~2050K，遠遠超過了材料的可承受溫度，所以必須采用有效的冷卻方式來降低葉片溫度。
本文將演示利用中文版STAR CCM+軟件進行渦輪冷卻葉片氣熱耦合計算的工作過程，計算模型源自STAR CCM Online公眾號的文章：渦輪葉片冷卻。
瞬態溫度場：
帶冷卻葉片的盤可近似取：瞬態溫度梯度=1.75×穩態溫度梯度；
不帶冷卻葉片的盤可近似取：瞬態溫度梯度=1.3×穩態溫度梯度。
