利用Cadence Fidelity CFD软件解决涡轮机械中的二次流效应

本文翻译转载于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

提升涡轮性能对实现涡轮机械更高的效率和可靠性是至关重要的。二次流是显著影响涡轮性能的关键因素，在轴流式涡轮中，它可造成高达 50% 的总气动损失。对于旨在优化涡轮设计和功能的工程师而言，通过先进的仿真技术理解并减轻这些损失至关重要。本文将阐述亚琛轴流式涡轮中二次流背后的复杂物理机制，以及如何利用 Cadence 的 Fidelity CFD 软件来减轻这些影响。

理解二次流

二次流指的是与主流方向垂直的流体运动，这种流动模式在各类涡轮机械中都存在，复杂程度各不相同。在轴流式涡轮中，叶片的几何形状和曲率会产生压力梯度，进而形成漩涡或循环流动模式。这些二次流会扰乱理想流场，增加能量耗散，降低涡轮的整体效率。

二次流的动力学特性复杂且本质上是非稳态的，它源于流场内复杂的三维（3D）互相作用。因此，准确模拟这些流动对工程师和研究人员来说是一项重大挑战。像Cadence 的 Fidelity 平台这类先进的计算工具，有助于开展深入分析和问题整改。

二次流动力学模拟研究

在本案例中，我们聚焦于 1.5 级亚琛轴流式涡轮，借助 Fidelity Fine Turbo 这一端到端涡轮机械建模解决方案开展研究。该软件涵盖了从三维网络划分到高级后处理的所有环节，其强大的功能可对二次流现象进行全面探讨，为工程师提供提升涡轮性能所需的工具。

1.5 级亚琛涡轮示意图（附叶片通道放大视图）

亚琛涡轮的设计采用了无罩转子，配备圆柱形、无扭曲的翼型叶片。这种结构至关重要，因为叶片的曲率会产生压差，使得叶片的压力面（PS）形成高压，吸力面（SS）形成低压。这种压差推动流体从压力面流向吸力面，从而形成偏离主流轴向的横向二次流。

涡轮叶片通道内二次流结构的可视化（Khadim 等人，2017）

要理解二次流形成的机制，需先了解边界层效应。低动量流体在壁面附近积聚，随后被压力驱动的横向流卷走。这一过程会产生二次涡系，包括叶片前缘附近的马蹄涡（HSVs）。这些涡在滞止点处分裂为两股，最终促成通道涡（PV）的形成，并诱发壁面涡。此外，由于边界层与横流的相互作用，在叶片与壁面的交角处还会产生角涡。

借助 Fidelity CFD 平台进行仿真设置

要解决二次流难题，第一步是搭建一个可靠的仿真环境。Fidelity CFD 具备高保真的网格生成功能，其自动化网格生成技术能将复杂几何结构转化为适用于 CFD 分析的高质量网格。它能灵活处理非结构化和结构化多块网格，从而精准捕捉流动动力学特性。在本案例中，为每一排的单个通道生成了结构化多块网格，用户只需极少的输入操作。

仿真从几何定义开始，这基于子午面设计参数。这些参数涵盖叶片剖面、轮毂和罩壳轮廓，决定了涡轮内整体的流动特性。接下来，子午流道确定了工作流体（本案例中为理想空气）的流动轨迹，引导其从涡轮入口流向出口。

首先在叶间平面沿子午流道生成二维网格，捕捉叶片几何形状和流动通道的关键细节，这构成了构建三维体网格的基础。高分辨率网格在流动动力学复杂的区域至关重要，尤其是叶片表面附近，那里存在复杂的相互作用。对于亚琛涡轮，创建了约 160 万个网格单元，使用 8 个 CPU 核心时，能在不到 30 秒的时间内高效完成处理。

叶片展向（a）1%、（b）5%、（c）25% 处的速度大小云图

优化网格设置以提升分辨率

涡轮内的不同排需要定制化的网格设置。第 2 排的转速为 3,500 转/分钟，需要精细的网格以确保准确解析二次流和潜在流动分离等关键流动现象。相比之下，第 1 排和第 3 排的气动流动更稳定，可采用较粗的网格，在不牺牲精度的前提下优化计算资源。对每个区域各自具体的运行特性的细致关注，是在模型中准确反映真实工况的关键。

减轻二次流影响：推进路径

通过使用先进的 CFD 工具，工程师可以深入分析二次流的相互作用及其对涡轮效率的影响。理解这些二次流背后的物理机制，能阐明减轻其影响的方法途径，并为优化涡轮设计以提升性能提供洞见。减轻二次流影响可涉及设计变更，例如修改叶片剖面以最小化压差，或采用先进的流动控制技术。

工程师还可探索调整叶片布局或采用自适应叶片设计概念，进一步降低能量损失。将 CFD 分析与设计和优化周期相结合，形成了主动提升性能的方法。通过模拟潜在的设计变化及其对二次流的影响，工程师可以做出明智决策，从而打造更高效的涡轮系统。

借助 Fidelity CFD 等先进的 CFD 平台，工程师能更好地分析复杂流体动力学并减轻损失。随着行业不断发展，驾驭这些技术的能力将在塑造涡轮机械设计和效率的未来中发挥关键作用。利用这些进步，最终将通过降低二次流损失来提升性能，推动下一代高性能涡轮的发展。