■ 馬薏文 苗輝 / 中國(guó)航發(fā)研究院

近年來(lái)，渦輪溫度場(chǎng)仿真技術(shù)隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)不斷發(fā)展而飛速進(jìn)步，以滿(mǎn)足越來(lái)越多樣、精細(xì)、深入的研發(fā)需求。從單部件穩(wěn)態(tài)仿真，到動(dòng)態(tài)多學(xué)科耦合仿真，再到多部件一體化仿真，功能形式多樣，不一而足，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪科研提供了強(qiáng)有力的支持。

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)技術(shù)發(fā)展，渦輪進(jìn)口溫度也隨之提高。現(xiàn)有推重比為10∶1的發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度達(dá)到了1800 ～2000K，推重比為15 ～20∶1的發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度將達(dá)到2100 ～2300K，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金材料的熔點(diǎn)溫度。在性能逐漸提高，設(shè)計(jì)逐漸精細(xì)化、系統(tǒng)化的同時(shí)，渦輪部件熱負(fù)荷和溫度梯度也隨之大幅增加，如預(yù)測(cè)的渦輪葉片壁面溫度每上升25 ～30K，渦輪計(jì)算壽命就會(huì)減半。因此，準(zhǔn)確的渦輪溫度場(chǎng)仿真技術(shù)，對(duì)高推重比發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展至關(guān)重要。

入口溫度及冷卻結(jié)構(gòu)隨年份的變化

發(fā)展現(xiàn)狀

渦輪溫度場(chǎng)仿真技術(shù)是高效、精細(xì)化冷卻設(shè)計(jì)的必要手段。通過(guò)仿真計(jì)算，不僅可以獲得渦輪固體溫度場(chǎng)的結(jié)果，還可以通過(guò)局部流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的展示，揭示換熱機(jī)理，為冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供依據(jù)。渦輪溫度場(chǎng)仿真的主要目的是：計(jì)算在發(fā)動(dòng)機(jī)各種狀態(tài)下和過(guò)程中渦輪部件的溫度分布，為強(qiáng)度壽命分析提供依據(jù)。根據(jù)仿真手段和仿真對(duì)象的特點(diǎn)，可將渦輪溫度場(chǎng)仿真技術(shù)分為零維/一維/二維仿真、三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)仿真、三維穩(wěn)態(tài)多學(xué)科耦合仿真（氣熱耦合、氣熱固耦合）、三維動(dòng)態(tài)多學(xué)科耦合仿真（發(fā)動(dòng)機(jī)定/變工況）以及多部件一體化耦合仿真。

零維/一維/二維仿真技術(shù)

零維/一維/二維仿真，是指通過(guò)將一維的S1流面流動(dòng)以及換熱計(jì)算，在基于經(jīng)驗(yàn)公式的零維/一維管網(wǎng)計(jì)算與二維導(dǎo)熱計(jì)算結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)的仿真方法。在航空渦輪溫度場(chǎng)計(jì)算中，可以將零維、一維、二維或這幾種維度相結(jié)合的方法和工具應(yīng)用在渦輪冷卻結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)之中。這種方法的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)源于試驗(yàn)，計(jì)算結(jié)果得到了一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證，故計(jì)算速度快，計(jì)算結(jié)果也較準(zhǔn)確。在渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，較多采用零維、一維和二維相結(jié)合的手段進(jìn)行渦輪葉片溫度場(chǎng)計(jì)算，在初步設(shè)計(jì)后，用零維/一維仿真內(nèi)換熱計(jì)算與二維外換熱計(jì)算進(jìn)行熱分析，再在試驗(yàn)中對(duì)冷效進(jìn)行校核改進(jìn)。

零維/一維/二維仿真示例

三維仿真技術(shù)

三維穩(wěn)態(tài)流動(dòng)仿真是指計(jì)算域僅包含流體部分，計(jì)算渦輪通道流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的仿真技術(shù)。應(yīng)用對(duì)象包括實(shí)心葉片溫度場(chǎng)計(jì)算、帶冷氣出流葉片外換熱計(jì)算（氣膜出流采用源項(xiàng)法處理）、熱斑定常遷移路徑計(jì)算等，其應(yīng)用范圍在逐步擴(kuò)大。

在此基礎(chǔ)上應(yīng)運(yùn)而生的三維穩(wěn)態(tài)多學(xué)科耦合仿真是指在渦輪穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算中，綜合運(yùn)用了多個(gè)學(xué)科的分析技術(shù)，如空氣動(dòng)力學(xué)、氣彈性力學(xué)、熱彈性力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)等。按照涉及學(xué)科的不同，可以分為氣熱耦合、氣固耦合、熱固耦合以及氣熱固耦合幾種。對(duì)于渦輪溫度場(chǎng)仿真而言，最常見(jiàn)的多學(xué)科耦合仿真技術(shù)是氣熱耦合和氣熱固耦合兩種。

三維氣熱耦合仿真反映流動(dòng)與傳熱的相互作用，其計(jì)算域包含流體域和固體域，可以計(jì)算葉片固體結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)、渦輪通道流場(chǎng)/溫度場(chǎng)。應(yīng)用對(duì)象包括帶復(fù)雜內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的葉片溫度場(chǎng)/綜合冷效計(jì)算，盤(pán)腔、端壁溫度場(chǎng)/綜合冷效計(jì)算等。目前，西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)和北京航空航天大學(xué)對(duì)此技術(shù)引用較多。在關(guān)注傳熱流動(dòng)過(guò)程中發(fā)生明顯形變、位移時(shí)，三維氣熱固耦合仿真可以反映出流場(chǎng)、溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)位移的相互作用，具有計(jì)算渦輪葉片等高溫部件固體溫度場(chǎng)和應(yīng)力/應(yīng)變的能力，應(yīng)用對(duì)象包括帶復(fù)雜內(nèi)冷結(jié)構(gòu)的葉片溫度場(chǎng)/綜合冷效計(jì)算，葉尖間隙及泄露流計(jì)算，葉片/涂層應(yīng)力計(jì)算，局部破壞失效計(jì)算等。

三維動(dòng)態(tài)多學(xué)科耦合仿真是在三維穩(wěn)態(tài)多學(xué)科耦合仿真的基礎(chǔ)上，考慮幾何結(jié)構(gòu)或條件隨時(shí)間的變化（即傳熱流動(dòng)過(guò)程中）的非穩(wěn)態(tài)研究。

三維穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果示例

非線性諧波法非定常計(jì)算結(jié)果

對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的動(dòng)態(tài)仿真，主要分為發(fā)動(dòng)機(jī)定工況和變工況兩個(gè)分析方向。發(fā)動(dòng)機(jī)定工況時(shí)，渦輪溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)特征來(lái)源于轉(zhuǎn)子葉片的旋轉(zhuǎn)作用，即轉(zhuǎn)子葉片與導(dǎo)向葉片之間時(shí)序位置的改變。常見(jiàn)典型應(yīng)用對(duì)象有轉(zhuǎn)靜干涉（尾跡干涉、激波干涉等）、熱斑在整級(jí)/多級(jí)渦輪中的遷移等。擁有先進(jìn)數(shù)值模擬分析技術(shù)的NUMECA公司主要采用非線性諧波法計(jì)算熱斑在兩級(jí)渦輪中的非定常遷移。海軍工程大學(xué)采用了非線性諧波法計(jì)算多級(jí)渦輪葉片的非定常溫度場(chǎng)，以研究轉(zhuǎn)靜干涉作用。

發(fā)動(dòng)機(jī)變工況（即過(guò)渡態(tài)）時(shí)，渦輪主流、二次流、轉(zhuǎn)速等條件均處于變化之中，引起溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變的動(dòng)態(tài)變化。常見(jiàn)典型應(yīng)用對(duì)象有熱沖擊計(jì)算、渦輪葉片循環(huán)壽命計(jì)算等?？巳R菲爾德大學(xué)以飛行參數(shù)和載荷譜為條件，計(jì)算模擬渦輪葉片的循環(huán)壽命。西北工業(yè)大學(xué)計(jì)算了渦輪葉片熱沖擊后結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化。

多部件一體化耦合仿真是指將渦輪與相鄰的空氣系統(tǒng)或燃燒室等部件同時(shí)納入計(jì)算域，進(jìn)行耦合計(jì)算。在計(jì)算能力不斷提高、計(jì)算資源不斷擴(kuò)大的前提下，多部件一體化耦合仿真的需求和應(yīng)用逐步增多。其中，德國(guó)航空航天中心（DLR）計(jì)算了真實(shí)工況下渦輪葉片壽命，渦輪冷卻與壓氣機(jī)引氣、空氣系統(tǒng)耦合，并考慮發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)渡態(tài)影響?；裟犴f爾公司計(jì)算了渦輪過(guò)渡態(tài)熱流、熱斑遷移等問(wèn)題，計(jì)算域包含引氣、封嚴(yán)、渦輪盤(pán)、盤(pán)腔等結(jié)構(gòu)。美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）格倫研究中心進(jìn)行的渦輪與燃燒室一體化仿真[1]，可以更真實(shí)、更全面地描述燃燒室與渦輪的耦合作用，可用于研究燃燒室出口不均勻性（熱斑、旋流、壓力不均）等問(wèn)題，獲得更為真實(shí)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)信息，為渦輪與燃燒室一體化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。

多部件一體化耦合仿真示例

NASA格倫中心燃燒室/渦輪一體化計(jì)算

新方法研究

目前，學(xué)術(shù)界針對(duì)渦輪溫度場(chǎng)仿真有大量的模型、算法方面的研究，力圖通過(guò)新方法、新技術(shù)或者新視角來(lái)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)有仿真技術(shù)的應(yīng)用以及對(duì)新仿真技術(shù)能力的開(kāi)發(fā)，主要涉及常見(jiàn)算法對(duì)比、算法耦合/分區(qū)耦合、創(chuàng)新算法仿真開(kāi)發(fā)等應(yīng)用。

多算法對(duì)比研究主要是以現(xiàn)有常見(jiàn)算法應(yīng)用于渦輪仿真的對(duì)比，選擇其中最適合的模型、方法以及影響最明顯的因素來(lái)對(duì)適用范圍內(nèi)的現(xiàn)象進(jìn)行研究。上海理工大學(xué)基于Fluent中的定常雷諾平均方程（RANS）方法和非定常大渦模擬（LES）[2]方法，對(duì)比了兩種模型在模擬葉柵流動(dòng)結(jié)構(gòu)和葉片表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)時(shí)的工程實(shí)用性?xún)?yōu)劣；北京大學(xué)初步比較了4種具有代表性的摻混面模型和非定常方法在單級(jí)跨聲速壓氣機(jī)和1.5級(jí)亞聲速渦輪中的數(shù)值模擬精度和魯棒性[3]；南京航空航天大學(xué)針對(duì)渦輪第一級(jí)導(dǎo)向葉片分析了多種輻射因素對(duì)葉片表面溫度和冷卻性能的影響。

算法耦合/分區(qū)耦合主要是針對(duì)在復(fù)雜流場(chǎng)中每個(gè)計(jì)算模型最佳適用范圍不同的特性，將不同模型進(jìn)行耦合應(yīng)用，或者對(duì)計(jì)算域進(jìn)行分區(qū)處理綜合分析，是一種基于算法對(duì)比研究基礎(chǔ)，充分利用不同模型特征與優(yōu)勢(shì)，以達(dá)成最佳仿真結(jié)果的新方法。南京航空航天大學(xué)開(kāi)發(fā)的RANS-LES耦合計(jì)算方法很好地捕捉了尾緣的層流分離泡[4]，相比于純LES極大縮短了計(jì)算周期；重慶大學(xué)則使用Python語(yǔ)言對(duì)Workbench進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，對(duì)葉柵主流使用S-A湍流模型，對(duì)盤(pán)腔二次流使用SSTk-ω湍流模型，實(shí)現(xiàn)了分區(qū)耦合[5]。

創(chuàng)新算法應(yīng)用研究則是利用全新的視角對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行再開(kāi)發(fā)或?qū)Ψ抡娣椒ㄟM(jìn)行新詮釋?zhuān)肀脔鑿降亻_(kāi)展渦輪等發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件的溫度場(chǎng)仿真工作，如分離渦（DES）模型、無(wú)網(wǎng)格方法、格子-玻耳茲曼（LBM）方法等。華北電力大學(xué)在導(dǎo)向葉片通道中分別采用層流模型、DES模型、全湍流模型和AGS轉(zhuǎn)捩模型，在轉(zhuǎn)子葉片通道中采用S-A湍流模型進(jìn)行計(jì)算[6]；中國(guó)工程物理研究院和北京航空航天大學(xué)采用無(wú)網(wǎng)格SPH數(shù)值模擬方法，求解帶有內(nèi)冷的高壓渦輪葉片的燒蝕問(wèn)題；LBM方法作為一種介觀方法，能夠在微觀和介觀層次揭示流動(dòng)換熱機(jī)理，但由于計(jì)算量大，目前該方法還未見(jiàn)用于渦輪仿真。

真實(shí)氣膜孔精細(xì)化仿真

未來(lái)發(fā)展方向

在未來(lái)的仿真技術(shù)發(fā)展中，基于科研需求與技術(shù)發(fā)展，還應(yīng)在動(dòng)態(tài)多學(xué)科、精細(xì)化和系統(tǒng)化等方向著重發(fā)力。

動(dòng)態(tài)、多學(xué)科的仿真是在仿真技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，由需求決定的自然衍化而來(lái)的發(fā)展方向。與穩(wěn)態(tài)、單學(xué)科計(jì)算相比，動(dòng)態(tài)、多學(xué)科的仿真可以考慮更多因素的聯(lián)合作用與綜合影響，計(jì)算條件更接近渦輪實(shí)際工作條件，使得計(jì)算結(jié)果更可信，與試驗(yàn)研究的互鑒作用更加清晰直接。另外，還可以捕獲更多的信息，更深刻地揭示宏觀特性（如溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)）的內(nèi)在機(jī)理，更有力地支撐冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化。

精細(xì)化的仿真可以捕捉如榫頭、伸根、緣板及倒角等復(fù)雜精細(xì)幾何模型中更多的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)的定量細(xì)節(jié)特征，能夠更真實(shí)地描述壁面附近二次流等信息，對(duì)局部溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)精度影響很大，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更直接的依據(jù)。以氣膜孔的數(shù)值模擬計(jì)算方法為例，從用源項(xiàng)法到分塊復(fù)制法再到半真實(shí)/真實(shí)氣膜孔仿真法的進(jìn)步，就是精細(xì)化仿真技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

系統(tǒng)化的仿真可以對(duì)多部件一體化計(jì)算，描述部件之間的交互作用，支撐未來(lái)多部件聯(lián)合設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。仿真支持的計(jì)算對(duì)象從最早的單葉片、單通道，變?yōu)槎嗳~片、多通道，再變?yōu)榭擅枋鱿噜徣~片周向影響、相鄰葉片排之間相互影響的全環(huán)、整級(jí)/多級(jí)計(jì)算，最后到與空氣系統(tǒng)、燃燒室聯(lián)合的可描述相鄰部件對(duì)渦輪影響的多部件耦合計(jì)算。

結(jié)束語(yǔ)

發(fā)展準(zhǔn)確的渦輪溫度場(chǎng)仿真技術(shù)和更加高效、精細(xì)化的冷卻設(shè)計(jì)一直以來(lái)都是至關(guān)重要的航空發(fā)動(dòng)機(jī)科研布局，以保證更快捷、安全、可靠地進(jìn)行渦輪部件研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算科學(xué)的發(fā)展，工業(yè)界在計(jì)算渦輪溫度場(chǎng)時(shí)，包含因素、結(jié)構(gòu)和部件越來(lái)越多，計(jì)算條件更貼近真實(shí)工況，渦輪溫度場(chǎng)仿真技術(shù)的發(fā)展已愈發(fā)體現(xiàn)精細(xì)化和系統(tǒng)化的趨勢(shì)。學(xué)術(shù)界針對(duì)渦輪溫度場(chǎng)仿真所側(cè)重的與模型、算法的應(yīng)用研究，可為工業(yè)界提供更多的選擇。