葉片造型的案例
Bezier曲線設計渦輪葉片造型與CFD驗證解析
Bezier曲線設計渦輪葉片造型與CFD驗證解析
賀 恒
(廣東博智林機器人有限公司，廣東 佛山 528000)
摘 要：通過選取某尺寸的渦輪和流量值作為案例,解析了運用Bezier曲線設計渦輪葉片造型的過程，進行了計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)驗證，得到渦輪機械性能預測曲線，驗證了渦輪葉片造型設計。
關鍵詞：Bezier曲線;渦輪葉片造型設計;CFD水力性能驗證;機械性能預測曲線
0 引 言
由于工業市場的日益繁榮，渦輪因其獨特的優越性，在各行各業的應用越來越普遍。然而，傳統的渦輪葉片設計效率低且不能完全滿足實際渦輪的性能需求。在葉片設計過程中，進、出口角度通常是給定的定值，所以要求選取的曲線需要確保在起始點和終點的一階導數，Bezier曲線正好能夠滿足這個要求。本文選取Bezier曲線設計渦輪葉片造型，使用FLUENT進行CFD驗證分析[1-6]，提出了渦輪性能曲線相似轉換。一方面，四階Bezier曲線計算得到的葉片型線坐標精確度高，CFD分析可以對設計的型線進行校驗分析，直到型線設計滿足要求為止。另一方面，CFD數值模擬技術具有成本低、設計周期短的優勢，在很大程度上彌補了傳統流體動力學實驗的劣勢。同時，相似轉換計算的提出，只需要計算一種流量下的渦輪葉片性能參數，就能直接計算出其他不同流量下的性能參數。這種方法的綜合運用可以大大減少CFD分析的計算量，提高渦輪葉片設計的效率。
展開 【技術貼】論CAESES中的葉片截面造型方法
前言
葉片曲面造型是工程技術行業的一個難點，傳統的造型方法主要是將一系列特定的葉片截面曲線光順擬合成葉片的曲面，但是葉片處在流體環境中，它的性能從來就不能直觀的看出來，所以葉片在設計過程中，多數都是會需要一些修整，如果有參數化控制的葉片，就能完美解決葉片曲面造型的難點。
總有一些人引領著時代發展，而順應時代發展的CAESES軟件，在參數化的曲面建模方面就具有很大的優勢，尤其是MetaSurface的曲面造型方法，能夠便捷地將參數化的曲線特征，光順擬合成一個參數控制的復雜曲面。就葉片曲面造型來說，參數化的重點其實是葉片的截面曲線，下面就列舉一些CAESES中幾種常用的葉片截面曲線造型方法。
1、直接造型方法
（1）選擇CAESES中自帶的葉型曲線
CAESES中最常使用的葉型曲線是NACA-4DS Curve，這個曲線有四個參數，分別是弦長、厚度、拱度、拱起位置，定義完參數后，將曲線變換為空間中的葉片截面輪廓曲線，繼而就可以通過MetaSurface的方法創建出葉片曲面。此葉型截面曲線主要用在軸流葉輪的葉片造型上，在飛機機翼造型方面也有較多應用。
（2）通過控制點以及不同類型的曲線創建葉型曲線
創建這種葉型主要是為了滿足葉片多變的需要，根據需求，可以對控制點定義不同的參數，也可以使用不同形式的曲線進行葉片型線的創建。上圖葉型曲線建模步驟如下表所示：
該葉型曲線的參數主要包括前緣和尾緣的圓弧系數、包角度數以及所在位置，壓力面和吸力面的控制點位置，在所有參數的共同作用下，構建出形狀多變的葉型曲線。下圖是調整控制點參數后生成的新的葉型曲線。
展開 高精度陶瓷3D打印在航空和工業級燃氣輪機葉片鑄造型芯方面的應用
導讀：為了提高燃氣輪機的工作溫度和發動機效率，航空航天和電力工業領域不斷設計開發內部冷卻通道更加復雜的燃氣輪機的渦輪葉片。
為了在鑄造金屬渦輪葉片時可以形成高復雜的內部冷卻通道結構，使用陶瓷鑄造型芯是非常必要的。鑄造葉片冷卻后，葉片從模具中取出，同時內部的陶瓷型芯需要溶解掉。
目前設計的陶瓷鑄造型芯越來越復雜，而通過傳統的注射成型方式無法實現 如此高復雜結構的陶瓷型芯。Lithoz 公司的 LCM 技術可以實現傳統工藝無法實現的高復雜結構陶瓷產品的生產。因此，LCM 技術給航空航天和電力工業中的高復雜結構的陶瓷葉片型芯提供完美的解決方案，滿足他們日益增長的設計需求。
而且，LCM 技術可以快速、低成本的實現小批量系列的原型產品的生產。由于該技術無需模具，因此大大縮短了研發-市場階段的周期。
與傳統的注射成型制造葉片型芯技術相比，3D 打印技術是一種無需模具的生產制造技術。因此 3D 打印技術可以繞過傳統工藝必須的、昂貴而又復雜的模具制造部分。
3D 打印葉片型芯的材料
LithaCore 450 是一款由奧地利Lithoz 公司自主研發的一種用于3D 打印生產陶瓷葉片型芯的硅基材料。典型的應用有：用來生產單晶鎳基合金的渦輪葉片的鑄造型芯；定向凝固鑄造型芯；等軸鑄造型芯。LithaCore 450 是一種可以 3D 打印制備高精度、高細節陶瓷葉片型芯的材料。燒結后的葉片型芯產品具有非常低的熱膨脹率、較高的孔隙率、優異的表面質量和優良的洗濾性等優點。另外，Lithoz 可以為客戶開發定制化的材料，滿足客戶廣泛的合金鑄造需求。
展開 基于特征的離心泵葉片參數化三維造型
介紹了pro/e二次開發的方法,對離心泵葉片三維參數化造型進行研究并建立特征模型。利用定義了參數和拓撲關系的離心泵葉片的pro/e模型文件,通過二次開發工具pro/TOOLKIT對模型文件中定義參數進行訪問,最終完成離心泵葉片的參數化三維造型
基于特征的離心泵葉片參數化三維造型.pdf
AIBlade —— 智能化葉片設計軟件
1.2 競品分析及設計效果
圖1. 3 CDA葉型葉片設計效果
圖1. 4 常規葉型設計效果
二、系統組成及技術方案
2.1 軟件模塊
AIBlade平臺軟件主要分為三大模塊：葉片參數化造型設計模塊、葉片參數化擬合模塊、葉片幾何及網格數據轉換。
2.2 葉片參數化造型設計模塊
2.2.1 技術方案
基于開源的OpenCascade幾何內核，使用C++為開發語言，使用Qt作為界面開發組件，實現葉片快速參數化造型。在葉片造型模塊中，以sqlite為數據庫基礎，搭建葉型數據庫，用戶可以自定義相關葉型存如數據庫，可以通過相關幾何參數進行葉型的快速查詢。通過不同的積疊方式，配合彎角、掠角的定義最終實現葉片的快速造型。造型結果可以輸出通用的IGES、STEP等幾何數據格式，同時系統可以進行自動化的截面線提取，輸出GeomTurbo以及Curve文件格式，便于后續的優化、分析工作。
目前提供兩種方式的造型方法：導入法和設計法。
導入法可以將葉片設計參數填入指定格式的xlsx文件或Txt文件中，軟件導入該文件后根據其中的參數生成三維模型。具體流程如下圖所示：
圖2. 1葉片造型導入流程示意
設計法又用戶從中弧線開始，逐步的手動設計葉片的組成元素，最終組合成完整的設計模型。
展開 葉片/翼型參數化造型技術
造型基本思路
造型的最基本的思路，就是先按住兩頭再填中間。簡單說就是先弄好前后緣，然后用樣條構建壓力面和吸力面。
流程如下：
1. 參數定義階段
代碼首先定義葉型的關鍵幾何參數，包括弦長、安裝角、前緣和尾緣的幾何特征參數（楔角、橢圓度、半徑等），以及流動角度參數。
2. 前緣造型設計
(1) 橢圓計算：根據前緣楔角和橢圓度參數，計算前緣橢圓的長短軸和中心位置
(2) 內切圓設計：在橢圓內部構造一個與楔角線相切的圓，確定切點和相關幾何關系
(3) 坐標變換：對前緣幾何進行旋轉變換，使其符合流動角度要求
3. 尾緣造型設計
(1) 采用與前緣相似的方法，但處理為尾緣特殊情況（對稱處理）
(2) 同樣包括橢圓計算、內切圓設計和坐標變換
(3) 最終將尾緣幾何平移到葉片末端位置
4. 葉片型面連接
(1) 壓力面構造：使用三次樣條插值連接前緣下表面點到尾緣下表面點
(2) 吸力面構造：使用三次樣條插值連接前緣上表面點到尾緣上表面點
(3) 在樣條插值時考慮了端點的切線斜率約束，確保型面光滑過渡
交互調整
我們可以增加一個交互界面，通過人工拖動控制點，進行形狀調整。
進一步升級
這個造型功能和CFD、優化方法融合起來，就可以開發成一個工程可用的系統。
靜界有限元工作室案例
我們工作室開了專門的算法模塊和交互界面，造型后的各個參數可以自動計算出來。
這個造型模塊還可以和工作室自研的結冰軟件幾何，實現造型后冰形自動分析。
展開 國產通風機開發流程及技術痛點
1 風機產品開發流程
正向設計的一般完整開發流程下圖所示：
2 開發現狀分析及面臨問題
（1）初始設計是根據壓力、流量等約束條件，從二維葉型到三維葉片的過程，理論設計書籍中，推薦參數及形式較為寬泛，造成初始設計需要多次嘗試，改變一次參數，利用通用的三維造型軟件建模往往需要花費大量精力。所以，初始設計中，實現葉片快速造型能夠大大提高初始設計的效率。
（2）從原始的葉型選擇到三維葉片的彎、掠、扭設計，要求從業者理論功底扎實，開發周期長，并且設計出的模型一般需要再次改型設計才能完全符合選型要求。
目前國內風機廠家設計能力較差，直接仿造及相似設計較多。但是當應用場合變化或者性能要求嚴格時，往往不能達到理想效果。
一種較為便捷的方法，既能規避國外專利的技術壁壘，又能在較高性能水平的基礎上提升性能，這種方法是：改型設計。
3 解決方案
（1）葉片快速造型
葉片快速造型的一般流程是：
（2）快速改型設計
改型設計的一般流程是：
4 造型、仿真、優化算法的耦合方案
無論是初始設計還是改型設計，得到幾何模型后，可用于直接加工制造然后實驗驗證。但是這樣往往造成加工樣件數過多，增加時間和物料成本。
CFD仿真有以下優勢：
a. 虛擬實驗，減少物料成本
b. 快速得到結果，減少時間成本
c. 結果可視化，深入研究內部流場
可先采用CFD手段對初始的若干種方案進行對比研究，遴選出性能較優的幾種方案，最后做實驗對比。
更為便捷的做法是通過優化算法可自動得到較優的葉片三維造型，流程為：
1. 利用造型模塊，隨機輸出不同葉片參數（葉型參數、彎、掠等）的幾何模型；
2. 對輸出的幾何模型進行仿真，進行設計變量的敏感度分析；
3.
展開 ToolBank工具銀行
二、AutoGrid/TurboGrid的數據自動化建模工具
在UG/SW/ProE系統中提供自動化的建模工具，可以導入AutoGrid的GeomTurbo數據格式自動化創建3D葉片模型；可以導入TurboGrid的hub/shroud/blade數據自動化創建3D葉片模型。
原始的AutoGrid的數據文件
UG中自動化造型的3D模型結果及界面
三、基于11參數法的全自動化葉型造型
基于11參數法理論基礎，進行了相應的改進設計。在UG/SW/ProE系統中提供自動化的葉型造型工具，通過簡單的參數設定可以自動快速的得到葉型，便于后續的葉片三維造型。
葉片型線的相關設計參數
UG中實現的11參數法自動化型線造型
四、基于型線庫及參數表格的葉片自動化造型工具
在UG/SW/ProE系統中，通過自建的型線數據庫系統，以及相關的葉片幾何參數，進行多級葉片的自動化全三維建模。
數據庫中的原始型線數據
葉片排相關幾何參數表
UG中實現的自動化多級葉片造型
五、網格數據轉換工具
a. 自動完成AutoGrid生成網格數據文件的解析（cgns/bcs/geom/igg）
b. 整理生成的數據，將網格數據/邊界條件數據/拓撲數據/分塊數據統一到cgns數據文件中
c. 自動生成包含所有數據的CGNS文件，可以順利導入到CFX
d.
展開 單級渦輪轉子-CAESES仿真優化經驗分享
在渦輪的氣動設計過程中，因設計需求變更導致的渦輪葉片優化迭代較多。目前CFD仿真技術應用廣泛，在葉輪機設計領域更有多款單獨的仿真軟件。而因造型參數較多（單個葉片30個以上），渦輪葉片的優化工作還是較為耗時繁瑣，往往只有經驗豐富的工程師才能合理把握進度。
本次分享的輸入條件為單級渦輪葉片，針對轉子葉片進行參數優化仿真。整個優化仿真過程依賴于CAESES仿真優化軟件進行，主要分為CAESES參數化建模、制定仿真優化方案、CFX仿真及腳本錄制、軟件鏈接優化仿真四大步驟，希望本人的淺析能為大家在葉輪機葉片優化仿真方面帶來幫助。
一、CAESES參數化建模
本方案葉型采用基于Nurbs曲線的方法進行參數化造型，包含了前/尾緣圓弧、Nurbs曲線（5個控制點）、角度、位置等參數共21個（主要參數如圖2所示）。該造型方法具有光順連接、靈活多變、完全可調等特點，較為適合直拉式葉片的設計。
在CAESES建模過程中，采用“Feature”功能實現葉型參數化設計，基于“Curve Engine”進行參數控制，最終通過“Meta Surface”曲面造型功能實現基于參數曲線的三維葉片造型。參數曲線以及相應的三維葉片如圖3所示，此模型可通過參數曲線的調節控制模型的形狀變化。
二、仿真優化方案
由于三維葉片造型參數較多，本方案采用等截面葉柵的方式對葉片進行優化。仿真優化方案如圖4所示，在CAESES參數化模型進行上，在不同葉高位置截取葉型，由直拉的方式得到等截面葉柵（如圖5所示），通過等截面葉柵葉型氣動優化間接實現三維葉片的優化。
展開 帶有Scallops結構的渦輪葉輪優化
渦輪葉片
葉輪的造型是通過一組參數來實現變化的，既可以手動調整，也可以由優化算法驅動變形。在CAESES中，所有的葉片造型都能夠百分百的穩定運行，同時滿足生產過程中的約束。由于任何一個設計方案會涉及到大量的計算分析，選取的變形參數需要非常高效。
Scallops
Scallops結構目前已經廣泛用于渦輪增壓器的生產。其主要作用是在半徑較大處減少葉輪的質量，這對降低轉動慣量和離心力比較有利。然而，這種幾何變化通常會導致空氣動力性能的損耗。因此，這項工作的挑戰是找到一個合適的Scallop結構（與之對應一個葉片設計），能夠最好地權衡流體性能及結構應力情況。
周期計算域
在自動化的CFD流體性能優化過程中，CAESES能夠自動創建周期性的計算域，并輸出給CFD計算工具（此項目中采用了NUMECA）。
也可以只針對單只葉片進行結構分析，并可以在CAESES中可以通過內部嵌套的優化策略自動計算輪轂處的最大倒圓半徑。
展開 美國SoftInWay公司的AxSTREAM軟件
AxSTREAM主要進行葉輪機械的一和二維的初始設計與氣動分析、優化，全三維葉片造型與三維CFD數值驗算、全三維FEA強度、振動校核等。它采
用了先進的項目數據庫管理模式，基于優秀的工程經驗損失模型，通過自動尋優算法進行優化設計與分析。AxSTREAM是一個不斷發展中的程序，從初始專注
于軸流旋轉機械的設計，發展到軸流/徑流/混流式設計，并加入三維有限元的強度分析和流動分析功能，并且綜合考慮冷卻、傳熱等多學科問題。目
前，AxSTREAM可以進行軸流渦輪、軸流壓氣機、向心渦輪、離心壓氣機、混流式渦輪和壓氣機的設計與氣動分析。應用范圍涵蓋汽輪機、燃氣輪機、航空發
動機、風機、渦輪增壓器和渦輪泵等多種葉輪機械。
SoftInWay 公司是一家美國公司，總部位于馬薩諸塞州的Burlington，是一家為全球國際用戶在能源動力設備研究、設計和數字建模等領域提供軟件產品和工程咨詢服務的高科技公司。SoftInWay致力研制和開發葉輪快速設計專業工具軟件，提供工程技術服務，使用自行開發的軟件和工業通用商業CFD、FEA和CAD軟件為用戶提供早期設計方案最大化產品生產力，提高設備效率和可靠性。
SoftInWay公司核心旗艦產品AxSTREAM是一個軸流燃氣/蒸汽渦輪和壓氣機/壓縮機快速通流概念設計和多學科優化軟件，集成了SoftInWay公司技術團隊超400人力年的在葉輪專業設計經驗，是當前葉輪專業設計軟件之翹楚。
展開 
智能快速的高性能軸流風扇設計軟件AIFan介紹
軟件集成了了高性能的風扇/壓氣機葉型庫，并基于可控渦方法進行葉片扭角分布規律設計，能夠自動快速計算得到不同葉片截面的葉型參數。
軟件可進行全三維的彎掠葉片造型，具有多樣化的葉片積疊方式： 重心積疊、前緣彎掠積疊、尾緣積疊等。
模型輸出格式豐富，包括：
三維模型（step等）
Tecplot 格式
Autogrid /Turbogrid格式
以及他定制格式
AIFan軟件還可以直接調用其他優化分析工具，實現一鍵式三維分析與全三維優化功能。比如可以直接調用CFX組件進行網格劃分及仿真分析，軟件內置了網格生成及邊界條件模板。
AIFan還可以直接調用參數化建模及優化軟件CAESES，基于設計結果生成全參數化葉輪模型。
在CAESES中設置好了自動仿真分析的連接，以及相關的優化算法，可以直接一鍵啟動風扇性能的全三維仿真優化。
基于AIFan快速設計及CAESES的參數化模型處理，可以得到批量的設計模型及其性能參數，從而可以方便的進一步建立風扇模型庫。
基于AIFan軟件及CAESES軟件等結合，可以實現軸流風扇的快速設計及快速性能評估，風扇氣動性能自動優化等功能，并且最終可以打造基于數據庫的風機設計體系。
目前該軟件已經為多家企業進行過軸流通風機、軸流散熱風扇及涵道推進風扇等設計服務，均取得了較好的效果。
展開 干貨！資深專家談CFD應用-CFD如何在葉輪機機械產品設計中發揮更大的價值
PREDIG是用來進行氣動性能預測的；COMIG是用于葉片詳細設計的程序，又可以分為葉片造型SPECIG、流場分析BANIG兩個子模塊。
NREC系列軟件采用S1/S2流面迭帶的勢流分析方法，葉片設計時給定葉片表面的載荷分布類型及氣流角分布等參數，然后沿軟件流程進行即可以初步設計出葉片子午流道及S1平均流面。葉片造型中最難于確定的就是每條葉片線元的空間位置，實際上這也就是在確定葉片的空間扭曲程度。葉片的邊界和運行條件參數均可以直接由性能預測當中的結果直接讀取過來。線元的多少，線元的位置就由設計者來構造了。只要幾何造型滿足收斂條件，均可以得到你所構造出的三元葉片，程序自動生成流場分析所需的葉輪幾何數據，并且可以直觀地觀察到葉片的三維實體模型。圖2為使用NREC軟件成功設計的一個典型半開式葉輪，其給定的設計條件如下：
對于設計出的葉片，接下來可以進行性能預測。流場分析的計算結果受葉片節點矩陣均勻程度的影響，如果節點矩陣非均勻程度大，往往出現致命的錯誤信息，程序終止執行，得不到流場分析的結果。所以在進行流場分析的時候，S1流面的間距和S2流面的間距盡可能接近，意即形成一個均勻的空間流場網格單元。如果流場分析的結果不符合氣動參數分布準則，則是葉片設計不合理，必須重新進行葉片SPECIG的設計，直到BANIG計算結果合理，這樣在SPECIG和BANIG這兩個模塊間構成了一個設計循環。
而使用PREDIG模塊對設計出的葉輪做性能預測時，只需要給出葉輪的進出口邊界的幾何尺寸，進出口角，以及葉片的負載形式，并未考慮葉輪內流場分布的詳細情況，所以在做產品設計時，不能孤立地應用PREDIG和COMIG，要將兩者有效的結合起來，根據流場的實際分布結果調整損失系數和滑移系數。
展開 CAESES在軸流風扇性能優化中的應用
CAESES中集成了多種葉輪參數化建模方法，并可以根據需求自主創建參數化葉輪模板，可以實現各類葉片、流道及蝸殼等模型的參數化控制，被廣泛的應用在各類葉輪機械的性能優化工作中。本文將結合某散熱風扇案例重點介紹CAESES在軸流風扇優化中的應用。
本案例中，在CAESES中建立軸流葉片全參數化模型，耦合CFX軟件建立自動化仿真流程，對風扇葉片自動進行參數調整和仿真計算，并總結出各個參數對風扇性能的影響，通過一系列的自動優化，最終得到性能最優的模型。
全參數化模型
CAESES中可以方便的定義各類參數化葉型模板，并可以對積疊規律進行靈活控制。
本案例所選葉型截面曲線形狀變化示意如下圖所示：
針對葉片造型中的彎、掠參數，在CAESES中也進行了相應的控制。
本案例葉型截面曲線及徑向積疊規律主要設置參數如下：
Chord （弦長）
Max Camber（最大彎度）
Camber Pos（最大彎度位置）
Thickness （葉片厚度）
Stagger （安裝角）
Rake （軸向傾斜-掠角）Skew （周向傾斜-彎角）
Tip clearance （頂部徑向間隙）
Number （葉片數）
在CAESES中可以通過方程曲線來控制葉型的形狀及積疊位置參數沿徑向的分布規律。最終的操作方式是調整方程曲線的參數，控制方程曲線形狀發生變化，繼而影響葉片的形狀。
方程曲線影響葉片的形狀
自動化仿真優化流程搭建
耦合CFX分析軟件，在CAESES中建立自動化的仿真流程，自動輸出模型，劃分網格，并進行相關計算。
展開 重磅！發布會|TurboTides 2024R2全新版本：智能算法驅動的全自動優化透平機械集成設計平臺
* 強化幾何建模能力，新增蝸殼加厚、平衡孔和非對稱葉片造型等功能，極大地提升設計效率和模型多樣性，滿足復雜工程需求。
三 傳承經典，協同合作
* 推出全新的在線數據庫模塊，為企業技術積累和團隊協同提供強有力的支持。
* 增加對 Linux 操作系統的支持，全中文界面及幫助文檔優化，全面兼容國產操作系統，為更多用戶提供便捷的使用體驗。
應用案例及軟件演示
??典型場景下的應用實例應用
場景一、 Krain葉輪性能智能自動優化案例
場景二、 多工況點的自動優化案例
場景三、基于氣動和結構的多學科智能自動優化案例
??軟件操作視頻演示
技術引領，創新未來
* 打造與數字加工（CAM）的無縫貫通，推動設計與制造的一體化。
* 引入 AI Co-pilot 功能，作為工程師的智能助手，進一步提升設計效率。
* 支持 GPU 加速，為大規模計算任務提供更快的響應和更高的性能。
12月18日發布會重磅發布
演講嘉賓
邱徐文-博士 太澤科技公司創始人、董事長
美國雪城大學機械工程博士，創立了合肥市太澤透平技術公司，并領導開發了具有完整知識產權的、國際領先的集成透平機械設計CAE系統：TurboTides。
邱徐文博士30年來潛心研究透平機械設計技術，在國際會議和期刊上發表了多篇關于葉片逆設計、透平機械機理研究和集成設計系統等有影響力的論文，特別是發明的“Qiu氏滑移系數模型”為軸流、徑流和混流葉片的滑移系數計算提供了一個共同的理論基礎，已被同行廣泛研究和采用，并且被收錄入一本著名的葉輪機械的教科書中。
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