离心压气机叶轮仿真模型的逆向建模技术

摘要：为了克服离心式压气机流场仿真过程中扭曲叶轮建模与网格划分方面的困难，采用逆向技术完成叶轮仿真模型建立。该技术运用Ansys BladeModeler完成实体模型的CAD前处理，运用BladeGen完成压气机叶轮参数提取，将建立的叶轮仿真模型进行压气机特性的CFD计算，将计算结果与实验对比，完成确定模型准确性验证。结果表明：逆向建模技术可实现高效、准确的压气机叶轮建模与快速的结构化网格划分。

关键词：离心压气机；叶轮；逆向

离心压气机叶轮的扭曲构造形式给CAD建模带来一定困难，工程中往往借助逆向工程技术实现其建模过程，逆向工程是利用三维扫描仪将实物组件进行点云数据采集，实现CAD模型的重构，在国内外已有很多关于该领域的研究[14]。然而随着计算流体力学技术的不断进步，商用软件平台已经开发出成熟的叶轮机械设计与仿真全套系统[5]，上述方法已不能很好地结合该平台的优良设计与快速仿真工具，将逆向技术推向流体仿真计算领域成为亟待解决的问题[6]。本文采用逆向工程思想，利用Ansys BladeModeler完成实体模型的CAD前处理，运用BladeGen完成压气机叶轮参数提取，通过压气机特性的仿真与实验对比来确定模型准确性。该方法突破性的功能是将原始叶轮模型提取参数，在专业的叶轮设计系统中实现逆向建模与再设计。可以直接在已经公开的先进离心压气机产品的基础上进行结构性能分析、设计以及模型的重构。该方法充分结合CFD技术，对离心压气机内部流场进行计算分析，极大的缩短压气机的产品开发周期，有效地占有市场，领导技术前沿，具有很强的工程应用价值。

1 逆向建模技术流程

当实际工程应用中没有得到实体压气机组件，或者无法进行传统的逆向工程测绘，仅提供某机型的三维CAD模型时，将压气机CAD模型导入BladeModeler中进行特殊的几何前处理；利用BladeGen软件平台完成叶轮参数提取；提取参数可以直接在Turbogrid软件平台下一键生成六面体网格，再利用CFX软件中的Turbo分析功能完成压气机的内部流场计算。得到流场计算结果与实验值进行对比分析，判断模型建立的准确性。

2 BladeModeler三维几何模型前处理

2.1 切出叶轮子午流道面

将设计优良的压气机叶轮原模型图2（a）通过填充操作得到图2（b）所示的流场仿真模型，再利用Extrude与Revolve相结合得到如图2（c）所示的几何旋转体。将原始叶轮的主叶片、分流叶片与旋转体进行组合，选择切割对称面，以旋转体作为被切割对象，完成子午流道面的切出，得到如图2（d）所示的效果。操作过程中务必保证所有模型均位于Z轴的正方向。

2.2 生成前处理几何文件

选择基准面建立一个新坐标系，依次完成子午面轮缘曲线、轮毂曲线、进口曲线以及出口曲线的草图建立。根据已建立的4个草图，利用FlowPath功能建立叶轮流线。对于离心式扭曲叶轮需要添加多条流线。以新添加的流线为切割线，以主叶片与分流叶片为被切割对象，利用Sweep功能将流线绕Z轴360°旋转切割叶轮，流线将叶轮切割成多个部分，选取主叶片与分流叶片的轮缘与轮毂侧平面以及上述流线切割叶轮产在主辅叶片留下的切割面生成新的平面。得到如图3所示的一个叶轮模型的轮缘线、轮毂线、流线以及叶轮的流线切线（面），这时抑制掉所有其它几何模型并导出IGS格式的几何文件。

3 BladeGen参数提取

3.1 选择几何文件

利用BladeGen的Data Import Wizard模块将生成的IGS格式几何文件导入。根据图3标记的曲线名称，依次选取輪缘曲线、轮毂曲线、叶片切线，如图4所示，在Main Blade，Layer 1模式下选择叶轮曲线。要将每个流线的叶轮切面轮廓线均选取成功，并且要区分主叶片与分流叶片。

3.2 曲线编辑与切点选择

选中Main Layler1中的一条曲线，曲线变为红色后点击Edit Curves弹出一个对话框，在对话框中点击Refit Curves选项又会弹出另一个对话框，这时只需要在新对话框中输入点数即可，一般建议填写最大值，按照上述方法依次修改其他Layer曲线，保证每条曲线都闭合。

选择前缘（LE）与尾缘（TE）处的切点。需要自由确认前缘的切点位置，未选择切点位置时，轮缘处出现两个红色方框，整个叶轮切割线非常杂乱不续，通过点击鼠标左键选择两个切点位置，选择后方框立刻变成绿色，并且Layer01LE End前面出现绿色对勾所示。

3.3 模型建立与网格划分

通过上述操作完成模型的逆向参数提取，在BladeGen中生成新模型，如图5所示，可以在软件中进行叶形的进一步调整，实现再设计。导入Turbogrid中进行网格六面体网格划分，如图6所示。网格划分结束后可进行相应的流体仿真计算。

4 准确性验证

压气机特性线指恒定转速下压气机压比与效率随流量的改变而变化的曲线。其中压气机压比的计算为：

P2为压气机出口压力，P1为压气机进口压力。等熵效率是指气体由进口压力增加到出口压力时，等熵压缩功与实际消耗功之比。

式中Ws表示等熵压缩功，Wtot表示实际消耗功，T1为压气机进口温度，T2为出口温度，βt为漏气损失系数，βdf为轮阻损失系数。

当略去动能变化时，得到：

图7为单一转速下压气机仿真与实验特性曲线对比图，设计流量下仿真结果相对于实验值的误差为3.9%。整体上，仿真与实验值吻合度较高，符合工程误差要求，说明本文中所使用的模型与仿真方法较为合理。

5 总结

本文进行了压气机叶轮仿真模型的逆向建模，构建了逆向思维下的压气机叶轮仿真模型的建模流程，阐述了几何模型前处理与参数提取技术的要点，进行压气机特性的实验与仿真对比分析，得到以下结论：

1）使用Blade Modeler几何前处理与BladeGen参数提取，可以实现优良设计模型的再设计与快速提取。

2）将逆向法建立的几何模型进行整机性能仿真，得到结果与压气机特性试验结果对比。单个转速的相同流量下，最大误差为3.9%，说明该逆向建模技术误差合理，模型准确。

参考文献：

[1]Adrian Cioc nea， Sergiu Nicolaie， Corina B bu anu.Reverse engineering for the rotor blades of a horizontal axis microhydrokinetic turbine[J].Energy Procedia，2017，112：3542.

[2]黃国权，杨显惠.采用逆向工程技术对叶轮建模的研究[J].机械设计与制造，2012，2：227229.

[3]立彬，高晓辉，王昊，等.逆向工程各关键技术的研究进展[J].机械制造，2004，42（278）：4145.

[4]曹晓星.逆向工程模型重构关键技术及应用[D].郑州大学，2012.

[5]凌云，冯进，刘孝光.CFXBladeGen在涡轮叶片造型中的应用[J].工程设计学报，2005，12（2）：109112.

[6]江杰.带分流叶片离心泵的逆向开发及内部流动数值模拟分析[D].江苏大学，2010.

作者简介：宋震（1990），男，汉族，辽宁锦州人，工学硕士，江苏科技大学能源与动力工程学院轮机工程专业，研究方向：船舶系统与设备振动噪声控制。