燃气轮机燃烧室参数化CFD模拟方法的研究和应用

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近年来燃气轮机性能不断提高,对于燃烧室的要求也日益苛刻,数值模拟方法在燃烧室的设计中越来越重要,而目前数值计算面临的周期比较长、由于结构更改频繁导致的巨大的人力投入等问题只有采用参数化的CFD数值模拟方法才能够解决,同时参数化CFD模拟方法也为燃烧室的自动优化设计奠定了基础。所谓燃烧室的参数化CFD模拟方法是指用参数(变量)而不是数值(定量)建立燃烧室的CFD模型、分析CFD计算结果,通过简单地改变模型中的某些参数值,就可以建立和分析一个新的模型。首先,本文在现有商业软件UG、ANSYS Workbench、Fluent的基础上,提出并建立了燃气轮机燃烧室的参数化CFD模拟方法:(1)实现几何建模的参数化:在UG中建立参数化的燃烧室(或部件)的几何模型模板,并用UG/Open UIStyle设计对话框实现设计参数的可视化输入,用UG/Open API编写对话框的回调函数,由设计参数确定燃烧室(或部件)的几何参数。标记几何参数以及几何的体和面,为计算前处理和后处理做准备。该步骤实现了从设计参数输入到几何模型更改的自动化。(2)编写脚本文件实现几何模型→生成网格→前处理→求解→后处理过程的自动化:脚本文件中含有几何输入参数、边界条件输入参数,并且在后处理中得到计算结果的输出参数。该步骤实现了由输入参数到得到输出参数整个模拟过程的自动化。(3)通过VC编程调用UG/Open API函数、修改并运行脚本文件、建立输出参数和输入参数之间的关系来实现参数的传递,即将燃烧室的初步设计、从几何建模到模拟后处理过程、根据模拟结果改进燃烧室结构这一系列过程进行了封装,初步实现了从给定燃烧室设计参数到结构实现的自动化。然后对该方法的各个步骤按照先简单、后复杂,先局部后整体的步骤进行了详细的考核,证明了该方法的有效性、可靠性和高效性:(1)通过研究一个双级旋流器的几何参数对其流场的影响,验证了几何参数化的可行性以及该方法用于设计方案比较的优越性;(2)通过研究某型涡扇发动机燃烧室在不同工况下的性能,验证了边界条件参数化的可行性以及该方法用于燃烧室不同状态性能比较的优越性;(3)实现了三种不同结构的贫预混燃烧室开孔规律的自动迭代设计,以达到所要求的流量分配规律。最后,综合应用参数化CFD模拟方法,实现了一个筒形燃烧室从给定燃烧室设计参数开始,按照初步设计、数值模拟、结果后处理与分析、改进设计方案并更新几何结构进一步进行数值模拟的反复自动迭代过程,直到数值模拟结果符合设计要求为止。通过该算例考核了从给定设计参数到结构实现过程自动化运行的可行性和高效性。本文实现的燃气轮机燃烧参数化CFD模拟方法大大缩短了燃烧室的CFD模拟周期,节省大量的人力,为进一步开展燃烧室自动优化设计做了一定的准备工作。
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