计算流体动力学在航空叶轮设计及优化过程中的要点

唐元恒，邹刚，王占勇

计算流体动力学在航空叶轮设计及优化过程中的要点

唐元恒，邹刚，王占勇

（海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）

计算流体动力学作为叶轮设计的重要方法，正在逐步地完善中，并且应用越来越广泛。在航空叶轮设计中运用计算流体动力学对于叶片型面、几何测量及其他物体轮廓进行准确测量具有重要意义。

航空；叶轮设计；计算流体学；优化

计算流体动力学目前广泛地运用于航空器械的设计中，作为一项先进的计算方法，为了发挥它的最大效用，要对其方法进行不断地优化，提高它的几何能力，有效地提高相关机械的运行效率，可推动我国航空事业更好地向前发展。

1 计算流体动力学在叶轮设计中应用的意义

计算流体动力学（CFD），是用电子计算机和离散化数值的方法对流体学问题进行数值模拟和分析。运用数值模拟的方法对流体学问题进行分析这种思想最早可以追溯到20世纪初，理查德就提出了这种想法。但是由于当时技术条件落后以及问题自身的复杂性，导致这种想法让人们忽视，并未得到实际的发展和运用。直到40年代中期计算机问世之后，运用电子计算机进行相关的数值模拟和计算才逐步成为现实。虽然计算机流体学的发展历史并不算长，但是却已经广泛的运用到相关领域，并得到长足的发展。

计算流体动力学在航空叶轮设计中的应用比较多，主要是采用了三维方式对叶轮机械模型进行相关的计算与研究。CFD只是为理解叶轮机械内部的流体学提供一种手段，不要低估计算流体动力学的作用但同时也不要对它估计过高。当前，运用计算流体动力学来对航空设计中的相关数值进行求解已经成为设计分析的一种重要手段，特别是计算流体学在气动设计以及发动机数值的仿真实验中已经是一种重要的模拟实验手段。

计算流体动力学在航空叶轮设计中的应用不仅可以提高发动机的性能，还可以延长发动机的使用年限，缩短研发时间，减少研发投资的费用，降低投资的相关风险。叶轮在航空航天领域应用比较广泛，但是必须清楚地了解叶轮的工作环境，叶轮是在高速运转高温高压下进行工作的，由于叶轮的工作性质和工作环境决定了叶轮的性能和质量相比其他零部件要求要高的多。

近三十年来，航空涡轮发动机技术水平获得了较大的提高，其中叶轮机的性能获得了较大的改善。叶轮机包括：高低压涡轮、高低压压气机及风扇，叶轮机的性能对整个发动机的性能起着决定性的作用，叶轮机性能的好坏直接影响着发动机的性能、使用时间、成本、维修、研发时间等。叶轮机的更新直接影响着发动机的研制。因此，提高叶轮机的性能成为改进发动机的重要手段，在叶轮机的改进实验中多采用计算流体动力学的方法。叶轮在生产制造过程中由于要受到技术条件以及各种外界条件的限制，导致生产的叶片会出现型面旋转不对称、叶片大小有误差等问题，这直接影响了机械设备的工作效率。所以，在叶轮设计中必须加大CFD的运用，保证机械设计的科学合理性及机械日后的正常运转。

2 计算流体动力学在航空叶轮设计中的要点

到目前为止CFD的三维设计应用是CFD技术最成功的应用。叶轮设计中运用计算流体动力学不仅缩短了设计的时间，还可以进行相关的模拟实验，对其数值进行试验试行，减少了研究经费，更好地促进科学技术的进步，推动技术设备的更新换代，更好地方便人们的生产和生活。目前，CFD技术已经广泛的运用到船舶、动力、化工、核能、建筑以及食品研发领域。

2.1 三维叶型设计在航空叶轮设计中的运用

在航空涡轮设计中，CFD的三维设计一直是一个不可替代的重要手段，设计师一般采用三维建模的方法对叶轮机的结构进行优化设计，提高叶轮机的性能，保证它的流动结构，对叶轮机进行结构优化。三维设计是新一代数字化、虚拟化及智能化设计平台的基础，它是建立在平面和二维设计的基础上，让设计目标更加的立体化、更加形象化的一种新的设计方法。在航空叶轮设计中运用三维设计的方法，不仅能够促进航空叶轮设计实验更好更快的运行，还可以减少设计的经费损耗，降低研发投资的经费，更形象直观的进行试验，让人们直接看到设计成果，看到新技术、新设备的效果。运用CFD方法，可以确定航空叶轮机械的性能参数，如其对应的损失、负荷、堵塞分布等，同时可以指出其流体力学在航空叶轮设计中的成因，分析其几何关系，让人们直观地了解机械设备的性能，在最大程度上发挥航空叶轮的效能。

2.2 几何复杂性的考虑

在航空叶轮设计实验中CFD方法除了对叶栅通道流动进行模拟外，还需要对叶轮机的许多几何和流动的复杂性进行正确模拟，以便更好对相关设计进行优化。如在航空机械设计中的涡轮冷却气与主流的相互作用；带冠涡轮转子和带围带的静子的泄露流动等。几何不是一层不变的，几何的复杂性牵扯的流体质量流量其实并不多，但是不能忽略这些因素的影响，很可能因为强的非线性作用对主流产生重要影响。如叶轮中叶片高温高压高速运转的工作状态和工作环境，如若在运行过程中压力值发生变化，将会极大地影响叶片的负荷分布情况以及级间的匹配。

2.3 多级流动的模拟在航空叶轮设计中的要点

在航空叶轮设计中多采用CFD的方法，有效地减少了模拟出错，多级流动模拟技术是航空叶轮机风扇设计中采用最多的方法，对充分做好叶片的匹配工作，实现机械内部系统优化，对叶排的合理转换具有重大的作用，同时还能对多级压力机、叶片排之间的匹配设计进行优化，在叶片排间实验时采用多级流动模拟方法，减少实验和设计的误差，保证叶片的正常运转，促进叶轮机的正常运行，以便相关设计人员能准确掌握航空叶轮设计中的要点，最大程度地发挥其功用。

3 计算流体动力学在航空叶轮设计中的优化内容

计算流体动力学技术的发展是建立在计算机技术的基础上的，上世纪中叶电脑的诞生为计算机技术奠定了物质基础，当前随着计算机技术的完善，为CFD技术的发展提供了技术支持，CFD技术有了突破性的发展。

三维叶轮机械的设计是一项专业性很强的工作，需要设计人员熟悉掌握相关计算流体动力学的相关知识及工作原理，把握设计中的技术要点，了解航空机械流动结构的特性，避免叶轮机械设备流动不合理情况的出现。利用三维建模的方式对航空叶轮机械设计进行优化是最常见的，但是一项技术也有它的优缺两面性，它有自己的适用范围，在它的合理范围内进行系统优化提高机械的性能，有效的提高其应用效果。在对航空叶轮进行设计优化的时候，需要应用相关的机械技术，不能过于依赖设计人员的主观经验，一定要全面客观的进行相关设计实验的检验，避免出错。我国计算流体动力学的相关研究起步较晚，仍然处在探索阶段，所以在一定范围内还存在许多的限制。

4 结束语

计算流体动力学在在航空发电机叶轮机的设计中作用日益突出，应该加大CFD在航空叶轮机设计中的运用，将CFD真正地从理论方法转化为实验中的实际应用，在对该方法进行完善创新的同时，促进我国航天事业健康发展。

[1]周燕佩，徐力平.计算流体动力学在航空叶轮机械中的应用[C]//中国航空学会21世纪航空动力发展研讨会论文集.北京：中国航空学会.2000.

[2]张健.计算流体力学在航空叶轮机设计中的应用[J].航空科学技术，1999（4）：19-22.

Application and Optimization of Computational Fluid Dynamics in Aviation Impeller Design

TANG Yuan-heng，ZOU Gang，WANG Zhan-yong
（Naval Aeronautical Engineering Institute Qingdao Campus，Qingdao Shandong 266041，China）

Computational fluid dynamics is an important method for impeller design.It is becoming more and more mature and perfect.It is widely used in computational fluid dynamics in the design of air impeller for the study of blade profile，geometric measurement and other object contours.Accurate measurement is of great significance.

aviation；impeller design；computational fluidology；optimization

V231.3

A

1672-545X（2017）07-0067-02

2017-04-21

唐元恒（1974-），男，山东莱芜人，硕士研究生，工程师，研究方向：装备综合保障。