CFD专栏丨透平冷却一维流体仿真
透平冷却分析背景
提高透平进口温度是开发高效燃气轮机的重要手段，由此导致高温叶片在远超金属允许温度的环境中运行，目前先进航空发动机透平进口燃气温度已超过1700K，为了保证叶片的安全性，需要布置大量冷却结构以使叶片温度处于合理范围。透平叶片有多种冷却方式，包括内部强化对流冷却、冲击冷却以及外部气膜冷却等，并且各种方式可能相互耦合，导致冷却通道中的流动及传热特性非常复杂。
Flow Simulator最初来自GE航空发动机部门，是分析透平传热和二次空气系统的专业工具，其精度和可靠性得在工程实践中到了充分的验证。
透平叶片实物图
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透平轮盘冷却
涡轮盘作为主要的承力部件，静子轮盘与转子叶盘之间存在腔室（Cavity）。为避免高温高压燃气通过轮缘之间的间隙入侵到腔室内部，必须采用冷空气对涡轮盘间隙冷却和密封。过多的冷气会降低发动机性能，过少的冷却则会造成过热。
研究表明：入侵的燃气浓度增加1%会降低动盘50%寿命。而封严冷气减少50%，发动机效率提高0.5%，油耗降低0.5%。采用一维仿真计算可以获得最佳的冷却效果。
航空发动机结构示意图
高压透平第一级轮盘冷却计算
原理图
边界条件
3个冷气入口，一个出口，输入总温、总压边界
边界条件
如果入口是旋转的，还需要输入Swirl数（气流切向速度和轮盘线速度的比值）
旋转腔体的建模
Cavity示意图
导入CAD模型，抓取几何上的特征点，将盘腔沿径向切割为8个区域(Cavity)。利用角动量守恒原理计算气流在每个Cavity中的速度、温度、压力和Swirl的变化。
注意：Cavity只能通过Vortex Chamber或Inertial Chamber创建。而 Vortex Chamber是没有上下游的单元（element）相连的，只用于存储当地Cavity的流动信息。
理论上径向切割的Cavity份数越多，梯度计算精度越高。如果气流通道是轴向的，也可以切割Cavity以考虑轮盘旋转对气流的摩擦作用。
创建Cavity
Vortex单元
Vortex单元用于计算旋转流动，有三种类型：
Free Vortex自由涡，没有外力作用在流体
Forced Vortex强制涡，流体和轮盘的旋转速度一样
Cavity vortex,也属于强制涡，只不过压力、温度的计算来自各个Cavity
Vortex的类型定义
定义了4个Vortex单元，将气流入口和出口建立连接
轮盘和外界的传热
通过连接对流、导热单元和内部Inertial Chamber模拟轮盘内部和外部的热交换 。
对流换热系数HTC采用子程序的方法，在迭代过程中确定，提高了换热计算的精度。
子程序可以采用Python或Fortran语言, 支持定义输入参数，如雷诺数，半径、粗糙度等等。
软件内嵌多个子程序模板，比如旋转腔HTC的计算采用subtype=ROTATING_CAVITY_NU，用户只需写表达式即可，无须编译。
Python脚本定义旋转腔壁面对流换热系数
篦齿封严的建模
篦齿封严利用流道的突扩和突缩，消耗流体的动能增加流阻以限制或阻止流体泄漏。在航空发动机等旋转机械中得到了广泛的应用。
篦齿封严单元除了设置尺寸信息，如齿数、间距、高度等，也需要入口和出口的半径以及转速。
Seal type设定密封座的样式 。
Swirl carry over考虑了气流在封严内的旋转 。
封严的上下游必须连接inertial chamber, 保证气流旋转参数的传递。
轮缘封严的建模
轮缘封严是防止主流高温燃气进入轮盘腔室，内部的气压略高于外部，从而达到气密作用。
轮缘的转速较高，需要考虑Pumping的效应，参照盘腔建模的方法，沿径向切割Cavity，用Vortex单元和孔单元搭建封严流道。
轮缘封严（Rim Seal）示意图
轮缘封严的一维建模
轮盘上冷却孔的建模
FI CdComp孔单元，专门用于旋转轮盘，用户无须输入阻力系数（通常这类孔的阻力系数也难以确定 ），仅需要输入孔的尺寸和倒角（圆）。
Part Surface Angle定义了打孔的方向（斜孔、直孔） Element Orientation定义了空气进入小孔前的流向 Element Multiplicity定义孔的数量（周期性） Rotational Effects定义转速和小孔的旋转半径 。
Corner Type定义孔的边缘过渡形式 。
Swirl Carry Over定义了上游气流旋转传递到下游的百分比，通常L/D>1的长孔Swirl Carry Over接近0，表示下游气流旋转基本由轮盘转速确定。
Corner Type会影响流量系数Cd的计算
FI CdComp孔单元角度的定义
孔板的阻力特性，经过大量的实验验证，确保冷却流量解析的精度。
静止孔的阻力特性实验
旋转孔板的阻力特性实验
不同角度的孔板实验曲线
不同雷诺数的孔板实验曲线
不同长径比（L/D）的孔板实验
计算完成显示每个单元上的气流，速度、压力、流量、Swirl。
物理量也可以用云图方式显示
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透平叶片冷却
通常透平第一级静叶采用气膜冷却、对流冷却和冲击冷却。冷空气沿着上下端壁进入到冲击筒套中，再通过表面的小孔排出，形成冷却气膜，覆盖在叶片表面。冷空气到达叶片尾缘经过扰乱柱再进行对流冷却。
透平叶片实物图
透平叶片冷却原理图
透平动叶气膜冷却建模
冷却空气从空心叶片底部流入，冲击叶片前缘，从气膜孔和顶部小孔流出。
导入叶片的切面图，最好是等比例的，方便定位。
建立平面网络：沿着叶片高度设置5个断面，每个断面出口设置温度、压力出口边界。
设置内部通道的尺寸和旋转半径，壁面粗糙度等信息。
可以先建立一层的单元，再批量复 制，提高建模效率。
设置气膜孔尺寸和旋转半径，以及流量系数
计算完成后，显示各个孔的空气流量和各个chamber的压力、温度。
有回流的单元用黄色圆圈自动标注。
可以采用PID Controller控制器或优化工具对每个小孔的流量进行调节。
如果导入的是3D模型，也可以在每层的平面展开，考虑气流在各个旋转半径上的流动。径向逐层连接，形成立体的网络。可以更加精确的分析叶片各个部位的冷却效果。
云图显示物理量
