吴昌博士：Cadence Fidelity一站式叶轮机械设计与优化方案

作者 | 吴昌 博士 仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

导读： 叶轮机械的设计与优化在诸多行业中具有重要作用，包括发电、航空航天和船舶等。设计高效叶轮机械需要综合考虑气动学、热力学、流体力学、结构分析和材料科学等多个学科。主要目标是在满足高效、可靠和安全等严格操作要求的同时，最大程度地提高性能。气动设计是叶轮机械优化的基础。它涉及精心塑造叶片剖面和通道，以实现最佳的流体流动特性，如最小化由于湍流、分离和激波引起的损失。

近年来，计算能力和模拟能力的进步已经彻底改变了叶轮机械的设计与优化。计算流体动力学（CFD）模拟和实验测试通常用于分析和改进叶轮机械组件的气动性能。优化技术包括遗传算法、代理建模和多目标优化，用于探索设计空间并确定最佳解决方案。这些方法使工程师能够系统评估各种设计参数，如叶片几何形状、流通路径配置和操作条件，以改善效率、压力比和功率输出等性能指标。高保真度的模拟结合优化算法使工程师能够探索创新的设计理念，快速评估性能权衡，并加速开发周期。此外，机器学习和数据驱动方法的整合显示出进一步提高涡轮机械设计流程效率和稳健性的潜力。

总之， 叶轮机械的气动设计与优化需要综合运用多学科和方法，以实现性能、效率和可靠性的提升 。计算工具、优化算法的持续进步预计将进一步推动该领域的发展，促进未来更高效、可持续的涡轮机械系统的发展。由于叶轮机械种类繁多，本文从叶轮机械几何结构和流动特征的相似性特点出发，阐述如何借助先进工具高效进行叶轮机械的气动设计与优化。欢迎大家报名5月25日，笔者在仿真秀2023旋转机械设计仿真第七期线上讲座《基于Fidelity一站式叶轮机械设计与优化方案》，详情见后文。

一、叶轮机械的做功原理

基于流体（如气体或液体）与旋转元件（通常是转子或叶轮）之间的能量转移阐述叶轮机械的做功原理。以透平和压缩机为例，阐述叶轮机械的工作原理。

透平： 透平用于将流体的能量转化为机械功。在涡轮机中，流体以高速度和压力进入设备，并通过一系列静叶片和转动叶片。当流体流过叶片时，其动能转移到转子上，导致转子旋转。转子的旋转产生机械功，可用于驱动发电机、产生推力或执行其他任务。

图1 透平示意图

压缩机： 压缩机的工作方式与涡轮机相反。它们利用机械功来增加流体的压力和能量。在压缩机中，转子叶片加速流体并向其传递动能。当流体通过压缩机时，其压力和能量增加。这种增压的流体可以用于燃烧、制冷或发电等各种用途。

 

图2 压气机示意图

总之，叶轮机械通过利用流体与旋转元件之间的能量交换来执行工作，无论是从流体中提取能量（如透平），增加流体压力（如压缩机）还是将流体从一个位置转移到另一个位置（如泵）。

从流体力学基本原理阐述叶轮机械的做功原理，欧拉公式是涡轮机械中的基本方程，它将流体通过涡轮机械时所做的功与其能量和流动特性的变化联系起来。它以瑞士数学家欧拉的名字命名，他在流体动力学方面做出了重要贡献。

欧拉方程可以表示为：

其中：

（1）ΔH是流体的比焓变化

（2）U1和U2分别是流体在进口和出口处的绝对速度

（3）C1和C2分别是相对于转子或叶片的流体的绝对速度

（4）g是重力加速度

（5）Z1和Z2分别是进口和出口处的海拔高度

（6）Ws是轴对流体所做的功

欧拉方程是基于能量和动量守恒原理推导出来的。 它描述了流体通过转子或叶片时流体与涡轮机械之间的能量转移过程。欧拉方程中的项代表了不同的能量组成部分。第一项代表了流体动能的变化。第二项代表了由于转子或叶片作用引起的相对动能的变化。第三项代表了由于高度差引起的流体的势能变化。最后一项Ws代表了轴对流体所做的功。欧拉方程帮助工程师理解涡轮机械中发生的能量转换，并提供流体动力学和热力学方面的见解。通过利用欧拉方程，工程师可以根据涡轮机械的设计参数（如叶片几何形状、流动条件和操作参数）做出明智决策，以最大限度地提高涡轮机械的能量提取和效率。

二、叶轮机械几何结构的特点

几何特征对涡轮机械的设计和优化至关重要。涡轮机械，如燃气轮机、压缩机和泵，依靠移动叶片或导叶与流体之间的相互作用来传递能量。这些叶片或导叶的设计在决定涡轮机械性能和效率方面起着关键作用。

涡轮机械的几何特征包括叶片/导叶形状、叶片/导叶间距和流通路径配置。叶片或导叶的形状对涡轮机械内的流体流动和能量传递起着至关重要的作用。通过控制叶片的弯掠扭形状可以实现特定的流动特性，例如高压比、低损失或高效率。此外，叶片或导叶之间的间距会影响流通路径和流体与叶片或导叶之间的相互作用。

流通路径配置指的是涡轮机械中叶片或导叶的形状和布置方式。不同的流通路径配置可用于优化特定工况下的性能和效率。例如，离心压缩机使用径向流通路径配置以在低压比下实现高流量；而轴流式流通路径配置则用于燃气涡轮中实现高压比和高效率。

 

图3 流通路径配置示意图

另一个重要的几何特征是叶片角度或导叶角度，通过控制叶片的弯掠扭形状可以实现特定的流动特性，例如高压比、低损失或高效率。

 

图4 三维扭曲叶片示意图

虽然叶轮机械的使用场景和目的不同，但其几何和拓扑结构具有相似性。叶片或导叶的设计、叶片或导叶之间的间距、流通路径配置以及叶片或导叶角度在决定涡轮机械内的流体流动和能量传递方面发挥着重要作用。工程师利用先进的设计和优化工具，如计算流体力学（CFD）和优化工具，来优化这些几何特征，提高涡轮机械的性能。

图5 基于Cadence Fidelity的自动结构化网格劈分

图6 基于Cadence Fidelity的结构化网格构建

三、叶轮机械的流动特性

叶轮机械的流动特性指的是流体通过涡轮机械的叶片、导叶和流道时的行为特性。这些特性在决定涡轮机械系统的性能、效率和可靠性方面起着关键作用。以下是一些关键的流动特性：

图7 透平内部流动分布

1. 速度分布： 流体的速度分布是一个重要特性。它描述了流体速度在流道中的变化情况。在理想情况下，速度应该是均匀的且能够得到良好控制，以确保有效的能量传递和最小化损失。然而，在实际情况下，由于叶片几何形状、流动分离和边界层效应等因素，速度的变化是不可避免的。

2. 压力分布： 压力分布指的是流体压力在流道中的变化情况。它受到叶片几何形状、流道形状和工作条件的影响。优化的压力分布确保了均匀的压力恢复并最小化损失，从而提高了效率。

3. 流动分离： 当流体无法沿着预期的流动路径行进并与叶片表面分离时，就会发生流动分离。这种现象可能导致损失增加、效率降低甚至机械损坏。通过适当的设计和流动控制技术，可以最小化流动分离并保持沿着叶片表面的平滑流动。

4. 边界层： 边界层是紧邻叶片表面的一层薄薄的流体层，其中速度梯度和剪切力很大。它可能会影响整体流动行为并引起额外的损失。通过边界层控制或叶片形状等技术控制边界层，有助于提高效率和性能。

5. 二次流动： 二次流动指的是与主要流动方向偏离的流动模式。这些流动是由于叶片曲率、流动转向和压力梯度等因素引起的。二次流动可能会影响涡轮机械的性能和效率，需要在设计过程中考虑其影响。

6. 汽蚀 ：汽蚀发生于局部流体压力低于蒸汽压力时，导致蒸汽泡的形成和崩溃。它可能导致涡轮机械的侵蚀、振动和性能下降。对汽蚀效应需要通过适当的设计、材料选择和操作考虑进行细致管理。

理解和分析这些流动特性对于涡轮机械系统的设计、优化和性能评估至关重要。计算流体动力学（CFD）模拟、实验测试和先进的测量技术通常被用于研究和改善流动行为，确保高效能量传递、最小化损失和可靠运行。

四、Fidelity平台的一站式流动设计优化解决方案

基于叶轮机械的几何和流动特点以及做功原理，Cadence Fidelity可以实现全自动化一站式设计与优化。

其一站式解决方法流程为： Agile实现高效初始参数化设计或者通过Autoblade导入已有几何实现已有设计的逆向参数化。AutoGrid可以实现全自动化叶轮机械结构化网格劈分。通过Fidelity的solver进行CFD计算，Design 3D可以实现将设计，CFD仿真，结果拾取和优化的自动化流程。

图8 Cadence Fidelity 平台全自动化优化流程

　　审核编辑：汤梓红