吳昌博士：Cadence Fidelity一站式葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案

作者 | 吳昌 博士 仿真秀專欄作者

首發(fā) | 仿真秀App

導(dǎo)讀：葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)與優(yōu)化在諸多行業(yè)中具有重要作用，包括發(fā)電、航空航天和船舶等。設(shè)計(jì)高效葉輪機(jī)械需要綜合考慮氣動(dòng)學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)分析和材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科。主要目標(biāo)是在滿足高效、可靠和安全等嚴(yán)格操作要求的同時(shí)，最大程度地提高性能。氣動(dòng)設(shè)計(jì)是葉輪機(jī)械優(yōu)化的基礎(chǔ)。它涉及精心塑造葉片剖面和通道，以實(shí)現(xiàn)最佳的流體流動(dòng)特性，如最小化由于湍流、分離和激波引起的損失。

近年來(lái)，計(jì)算能力和模擬能力的進(jìn)步已經(jīng)徹底改變了葉輪機(jī)械的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬和實(shí)驗(yàn)測(cè)試通常用于分析和改進(jìn)葉輪機(jī)械組件的氣動(dòng)性能。優(yōu)化技術(shù)包括遺傳算法、代理建模和多目標(biāo)優(yōu)化，用于探索設(shè)計(jì)空間并確定最佳解決方案。這些方法使工程師能夠系統(tǒng)評(píng)估各種設(shè)計(jì)參數(shù)，如葉片幾何形狀、流通路徑配置和操作條件，以改善效率、壓力比和功率輸出等性能指標(biāo)。高保真度的模擬結(jié)合優(yōu)化算法使工程師能夠探索創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念，快速評(píng)估性能權(quán)衡，并加速開發(fā)周期。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法的整合顯示出進(jìn)一步提高渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)流程效率和穩(wěn)健性的潛力。

總之，葉輪機(jī)械的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化需要綜合運(yùn)用多學(xué)科和方法，以實(shí)現(xiàn)性能、效率和可靠性的提升。計(jì)算工具、優(yōu)化算法的持續(xù)進(jìn)步預(yù)計(jì)將進(jìn)一步推動(dòng)該領(lǐng)域的發(fā)展，促進(jìn)未來(lái)更高效、可持續(xù)的渦輪機(jī)械系統(tǒng)的發(fā)展。由于葉輪機(jī)械種類繁多，本文從葉輪機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特征的相似性特點(diǎn)出發(fā)，闡述如何借助先進(jìn)工具高效進(jìn)行葉輪機(jī)械的氣動(dòng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。歡迎大家報(bào)名5月25日，筆者在仿真秀2023旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)仿真第七期線上講座《基于Fidelity一站式葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案》，詳情見后文。

一、葉輪機(jī)械的做功原理

基于流體（如氣體或液體）與旋轉(zhuǎn)元件（通常是轉(zhuǎn)子或葉輪）之間的能量轉(zhuǎn)移闡述葉輪機(jī)械的做功原理。以透平和壓縮機(jī)為例，闡述葉輪機(jī)械的工作原理。

透平：透平用于將流體的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功。在渦輪機(jī)中，流體以高速度和壓力進(jìn)入設(shè)備，并通過(guò)一系列靜葉片和轉(zhuǎn)動(dòng)葉片。當(dāng)流體流過(guò)葉片時(shí)，其動(dòng)能轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)子上，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生機(jī)械功，可用于驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)、產(chǎn)生推力或執(zhí)行其他任務(wù)。

圖1 透平示意圖

壓縮機(jī)：壓縮機(jī)的工作方式與渦輪機(jī)相反。它們利用機(jī)械功來(lái)增加流體的壓力和能量。在壓縮機(jī)中，轉(zhuǎn)子葉片加速流體并向其傳遞動(dòng)能。當(dāng)流體通過(guò)壓縮機(jī)時(shí)，其壓力和能量增加。這種增壓的流體可以用于燃燒、制冷或發(fā)電等各種用途。

圖2 壓氣機(jī)示意圖

總之，葉輪機(jī)械通過(guò)利用流體與旋轉(zhuǎn)元件之間的能量交換來(lái)執(zhí)行工作，無(wú)論是從流體中提取能量（如透平），增加流體壓力（如壓縮機(jī)）還是將流體從一個(gè)位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)位置（如泵）。

從流體力學(xué)基本原理闡述葉輪機(jī)械的做功原理，歐拉公式是渦輪機(jī)械中的基本方程，它將流體通過(guò)渦輪機(jī)械時(shí)所做的功與其能量和流動(dòng)特性的變化聯(lián)系起來(lái)。它以瑞士數(shù)學(xué)家歐拉的名字命名，他在流體動(dòng)力學(xué)方面做出了重要貢獻(xiàn)。

歐拉方程可以表示為：

其中：

（1）ΔH是流體的比焓變化

（2）U1和U2分別是流體在進(jìn)口和出口處的絕對(duì)速度

（3）C1和C2分別是相對(duì)于轉(zhuǎn)子或葉片的流體的絕對(duì)速度

（4）g是重力加速度

（5）Z1和Z2分別是進(jìn)口和出口處的海拔高度

（6）Ws是軸對(duì)流體所做的功

歐拉方程是基于能量和動(dòng)量守恒原理推導(dǎo)出來(lái)的。它描述了流體通過(guò)轉(zhuǎn)子或葉片時(shí)流體與渦輪機(jī)械之間的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。歐拉方程中的項(xiàng)代表了不同的能量組成部分。第一項(xiàng)代表了流體動(dòng)能的變化。第二項(xiàng)代表了由于轉(zhuǎn)子或葉片作用引起的相對(duì)動(dòng)能的變化。第三項(xiàng)代表了由于高度差引起的流體的勢(shì)能變化。最后一項(xiàng)Ws代表了軸對(duì)流體所做的功。歐拉方程幫助工程師理解渦輪機(jī)械中發(fā)生的能量轉(zhuǎn)換，并提供流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方面的見解。通過(guò)利用歐拉方程，工程師可以根據(jù)渦輪機(jī)械的設(shè)計(jì)參數(shù)（如葉片幾何形狀、流動(dòng)條件和操作參數(shù)）做出明智決策，以最大限度地提高渦輪機(jī)械的能量提取和效率。

二、葉輪機(jī)械幾何結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

幾何特征對(duì)渦輪機(jī)械的設(shè)計(jì)和優(yōu)化至關(guān)重要。渦輪機(jī)械，如燃?xì)廨啓C(jī)、壓縮機(jī)和泵，依靠移動(dòng)葉片或?qū)~與流體之間的相互作用來(lái)傳遞能量。這些葉片或?qū)~的設(shè)計(jì)在決定渦輪機(jī)械性能和效率方面起著關(guān)鍵作用。

渦輪機(jī)械的幾何特征包括葉片/導(dǎo)葉形狀、葉片/導(dǎo)葉間距和流通路徑配置。葉片或?qū)~的形狀對(duì)渦輪機(jī)械內(nèi)的流體流動(dòng)和能量傳遞起著至關(guān)重要的作用。通過(guò)控制葉片的彎掠扭形狀可以實(shí)現(xiàn)特定的流動(dòng)特性，例如高壓比、低損失或高效率。此外，葉片或?qū)~之間的間距會(huì)影響流通路徑和流體與葉片或?qū)~之間的相互作用。

流通路徑配置指的是渦輪機(jī)械中葉片或?qū)~的形狀和布置方式。不同的流通路徑配置可用于優(yōu)化特定工況下的性能和效率。例如，離心壓縮機(jī)使用徑向流通路徑配置以在低壓比下實(shí)現(xiàn)高流量；而軸流式流通路徑配置則用于燃?xì)鉁u輪中實(shí)現(xiàn)高壓比和高效率。

圖3 流通路徑配置示意圖

另一個(gè)重要的幾何特征是葉片角度或?qū)~角度，通過(guò)控制葉片的彎掠扭形狀可以實(shí)現(xiàn)特定的流動(dòng)特性，例如高壓比、低損失或高效率。

圖4 三維扭曲葉片示意圖

雖然葉輪機(jī)械的使用場(chǎng)景和目的不同，但其幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有相似性。葉片或?qū)~的設(shè)計(jì)、葉片或?qū)~之間的間距、流通路徑配置以及葉片或?qū)~角度在決定渦輪機(jī)械內(nèi)的流體流動(dòng)和能量傳遞方面發(fā)揮著重要作用。工程師利用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化工具，如計(jì)算流體力學(xué)（CFD）和優(yōu)化工具，來(lái)優(yōu)化這些幾何特征，提高渦輪機(jī)械的性能。

圖5 基于Cadence Fidelity的自動(dòng)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劈分

圖6 基于Cadence Fidelity的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格構(gòu)建

三、葉輪機(jī)械的流動(dòng)特性

葉輪機(jī)械的流動(dòng)特性指的是流體通過(guò)渦輪機(jī)械的葉片、導(dǎo)葉和流道時(shí)的行為特性。這些特性在決定渦輪機(jī)械系統(tǒng)的性能、效率和可靠性方面起著關(guān)鍵作用。以下是一些關(guān)鍵的流動(dòng)特性：

圖7 透平內(nèi)部流動(dòng)分布

1. 速度分布：流體的速度分布是一個(gè)重要特性。它描述了流體速度在流道中的變化情況。在理想情況下，速度應(yīng)該是均勻的且能夠得到良好控制，以確保有效的能量傳遞和最小化損失。然而，在實(shí)際情況下，由于葉片幾何形狀、流動(dòng)分離和邊界層效應(yīng)等因素，速度的變化是不可避免的。

2. 壓力分布：壓力分布指的是流體壓力在流道中的變化情況。它受到葉片幾何形狀、流道形狀和工作條件的影響。優(yōu)化的壓力分布確保了均勻的壓力恢復(fù)并最小化損失，從而提高了效率。

3. 流動(dòng)分離：當(dāng)流體無(wú)法沿著預(yù)期的流動(dòng)路徑行進(jìn)并與葉片表面分離時(shí)，就會(huì)發(fā)生流動(dòng)分離。這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致?lián)p失增加、效率降低甚至機(jī)械損壞。通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和流動(dòng)控制技術(shù)，可以最小化流動(dòng)分離并保持沿著葉片表面的平滑流動(dòng)。

4. 邊界層：邊界層是緊鄰葉片表面的一層薄薄的流體層，其中速度梯度和剪切力很大。它可能會(huì)影響整體流動(dòng)行為并引起額外的損失。通過(guò)邊界層控制或葉片形狀等技術(shù)控制邊界層，有助于提高效率和性能。

5. 二次流動(dòng)：二次流動(dòng)指的是與主要流動(dòng)方向偏離的流動(dòng)模式。這些流動(dòng)是由于葉片曲率、流動(dòng)轉(zhuǎn)向和壓力梯度等因素引起的。二次流動(dòng)可能會(huì)影響渦輪機(jī)械的性能和效率，需要在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮其影響。

6. 汽蝕：汽蝕發(fā)生于局部流體壓力低于蒸汽壓力時(shí)，導(dǎo)致蒸汽泡的形成和崩潰。它可能導(dǎo)致渦輪機(jī)械的侵蝕、振動(dòng)和性能下降。對(duì)汽蝕效應(yīng)需要通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)、材料選擇和操作考慮進(jìn)行細(xì)致管理。

理解和分析這些流動(dòng)特性對(duì)于渦輪機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和性能評(píng)估至關(guān)重要。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模擬、實(shí)驗(yàn)測(cè)試和先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)通常被用于研究和改善流動(dòng)行為，確保高效能量傳遞、最小化損失和可靠運(yùn)行。

四、Fidelity平臺(tái)的一站式流動(dòng)設(shè)計(jì)優(yōu)化解決方案

基于葉輪機(jī)械的幾何和流動(dòng)特點(diǎn)以及做功原理，Cadence Fidelity可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化一站式設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

其一站式解決方法流程為：Agile實(shí)現(xiàn)高效初始參數(shù)化設(shè)計(jì)或者通過(guò)Autoblade導(dǎo)入已有幾何實(shí)現(xiàn)已有設(shè)計(jì)的逆向參數(shù)化。AutoGrid可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化葉輪機(jī)械結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劈分。通過(guò)Fidelity的solver進(jìn)行CFD計(jì)算，Design 3D可以實(shí)現(xiàn)將設(shè)計(jì)，CFD仿真，結(jié)果拾取和優(yōu)化的自動(dòng)化流程。

圖8 Cadence Fidelity 平臺(tái)全自動(dòng)化優(yōu)化流程

審核編輯：湯梓紅