本文翻譯轉(zhuǎn)載于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

提升渦輪性能對實(shí)現(xiàn)渦輪機(jī)械更高的效率和可靠性是至關(guān)重要的。二次流是顯著影響渦輪性能的關(guān)鍵因素，在軸流式渦輪中，它可造成高達(dá) 50% 的總氣動損失。對于旨在優(yōu)化渦輪設(shè)計(jì)和功能的工程師而言，通過先進(jìn)的仿真技術(shù)理解并減輕這些損失至關(guān)重要。本文將闡述亞琛軸流式渦輪中二次流背后的復(fù)雜物理機(jī)制，以及如何利用 Cadence 的 Fidelity CFD 軟件來減輕這些影響。

理解二次流

二次流指的是與主流方向垂直的流體運(yùn)動，這種流動模式在各類渦輪機(jī)械中都存在，復(fù)雜程度各不相同。在軸流式渦輪中，葉片的幾何形狀和曲率會產(chǎn)生壓力梯度，進(jìn)而形成漩渦或循環(huán)流動模式。這些二次流會擾亂理想流場，增加能量耗散，降低渦輪的整體效率。

二次流的動力學(xué)特性復(fù)雜且本質(zhì)上是非穩(wěn)態(tài)的，它源于流場內(nèi)復(fù)雜的三維（3D）互相作用。因此，準(zhǔn)確模擬這些流動對工程師和研究人員來說是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。像Cadence 的 Fidelity 平臺這類先進(jìn)的計(jì)算工具，有助于開展深入分析和問題整改。

二次流動力學(xué)模擬研究

在本案例中，我們聚焦于 1.5 級亞琛軸流式渦輪，借助 Fidelity Fine Turbo 這一端到端渦輪機(jī)械建模解決方案開展研究。該軟件涵蓋了從三維網(wǎng)絡(luò)劃分到高級后處理的所有環(huán)節(jié)，其強(qiáng)大的功能可對二次流現(xiàn)象進(jìn)行全面探討，為工程師提供提升渦輪性能所需的工具。

1.5 級亞琛渦輪示意圖（附葉片通道放大視圖）

亞琛渦輪的設(shè)計(jì)采用了無罩轉(zhuǎn)子，配備圓柱形、無扭曲的翼型葉片。這種結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，因?yàn)槿~片的曲率會產(chǎn)生壓差，使得葉片的壓力面（PS）形成高壓，吸力面（SS）形成低壓。這種壓差推動流體從壓力面流向吸力面，從而形成偏離主流軸向的橫向二次流。

渦輪葉片通道內(nèi)二次流結(jié)構(gòu)的可視化（Khadim 等人，2017）

要理解二次流形成的機(jī)制，需先了解邊界層效應(yīng)。低動量流體在壁面附近積聚，隨后被壓力驅(qū)動的橫向流卷走。這一過程會產(chǎn)生二次渦系，包括葉片前緣附近的馬蹄渦（HSVs）。這些渦在滯止點(diǎn)處分裂為兩股，最終促成通道渦（PV）的形成，并誘發(fā)壁面渦。此外，由于邊界層與橫流的相互作用，在葉片與壁面的交角處還會產(chǎn)生角渦。

借助 Fidelity CFD 平臺進(jìn)行仿真設(shè)置

要解決二次流難題，第一步是搭建一個可靠的仿真環(huán)境。Fidelity CFD 具備高保真的網(wǎng)格生成功能，其自動化網(wǎng)格生成技術(shù)能將復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為適用于 CFD 分析的高質(zhì)量網(wǎng)格。它能靈活處理非結(jié)構(gòu)化和結(jié)構(gòu)化多塊網(wǎng)格，從而精準(zhǔn)捕捉流動動力學(xué)特性。在本案例中，為每一排的單個通道生成了結(jié)構(gòu)化多塊網(wǎng)格，用戶只需極少的輸入操作。

仿真從幾何定義開始，這基于子午面設(shè)計(jì)參數(shù)。這些參數(shù)涵蓋葉片剖面、輪轂和罩殼輪廓，決定了渦輪內(nèi)整體的流動特性。接下來，子午流道確定了工作流體（本案例中為理想空氣）的流動軌跡，引導(dǎo)其從渦輪入口流向出口。

首先在葉間平面沿子午流道生成二維網(wǎng)格，捕捉葉片幾何形狀和流動通道的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，這構(gòu)成了構(gòu)建三維體網(wǎng)格的基礎(chǔ)。高分辨率網(wǎng)格在流動動力學(xué)復(fù)雜的區(qū)域至關(guān)重要，尤其是葉片表面附近，那里存在復(fù)雜的相互作用。對于亞琛渦輪，創(chuàng)建了約 160 萬個網(wǎng)格單元，使用 8 個 CPU 核心時，能在不到 30 秒的時間內(nèi)高效完成處理。

葉片展向（a）1%、（b）5%、（c）25% 處的速度大小云圖

優(yōu)化網(wǎng)格設(shè)置以提升分辨率

渦輪內(nèi)的不同排需要定制化的網(wǎng)格設(shè)置。第 2 排的轉(zhuǎn)速為 3,500 轉(zhuǎn)/分鐘，需要精細(xì)的網(wǎng)格以確保準(zhǔn)確解析二次流和潛在流動分離等關(guān)鍵流動現(xiàn)象。相比之下，第 1 排和第 3 排的氣動流動更穩(wěn)定，可采用較粗的網(wǎng)格，在不犧牲精度的前提下優(yōu)化計(jì)算資源。對每個區(qū)域各自具體的運(yùn)行特性的細(xì)致關(guān)注，是在模型中準(zhǔn)確反映真實(shí)工況的關(guān)鍵。

減輕二次流影響：推進(jìn)路徑

通過使用先進(jìn)的 CFD 工具，工程師可以深入分析二次流的相互作用及其對渦輪效率的影響。理解這些二次流背后的物理機(jī)制，能闡明減輕其影響的方法途徑，并為優(yōu)化渦輪設(shè)計(jì)以提升性能提供洞見。減輕二次流影響可涉及設(shè)計(jì)變更，例如修改葉片剖面以最小化壓差，或采用先進(jìn)的流動控制技術(shù)。

工程師還可探索調(diào)整葉片布局或采用自適應(yīng)葉片設(shè)計(jì)概念，進(jìn)一步降低能量損失。將 CFD 分析與設(shè)計(jì)和優(yōu)化周期相結(jié)合，形成了主動提升性能的方法。通過模擬潛在的設(shè)計(jì)變化及其對二次流的影響，工程師可以做出明智決策，從而打造更高效的渦輪系統(tǒng)。

借助 Fidelity CFD 等先進(jìn)的 CFD 平臺，工程師能更好地分析復(fù)雜流體動力學(xué)并減輕損失。隨著行業(yè)不斷發(fā)展，駕馭這些技術(shù)的能力將在塑造渦輪機(jī)械設(shè)計(jì)和效率的未來中發(fā)揮關(guān)鍵作用。利用這些進(jìn)步，最終將通過降低二次流損失來提升性能，推動下一代高性能渦輪的發(fā)展。