涡轮叶片气膜孔结构化网格生成

ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＤＧＲＩＤＧＥＮＥＲＡＴＩＯＮＯＮＴＵＲＢＩＮＥＢＬＡＤＥＦＩＬＭ ＨＯＬＥＳ
ＺｈａｎｇＸｉａｎｇ ＬｉｕＹｏｎｇ ＺｈａｏＬｕ ＬｉＹａｑｉｎｇ
（ＡｅｒｏｅｎｇｉｎｅＴｈｅｒｍａｌＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＩｎｄｕｓｔｒｙａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００１６，Ｊｉａｎｇｓｕ，Ｃｈｉｎａ）
第 ３５卷第 １１期 ２０１８年 １１月
计算机应用与软件 ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＳｏｆｔｗａｒｅ
Ｖｏｌ３５ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖ．２０１８
涡轮叶片气膜孔结构化网格生成
张 祥 刘 勇 赵 璐 李亚清
（南京航空航天大学能源与动力学院航空发动机热环境与热结构工业和信息化部重点实验室 江苏 南京 ２１００１６）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｇｒｉｄｓｉｎｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｄｏｍａｉｎｏｆ ｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓａｎｄｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｗｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｍｅｔｈｏｄｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｇｒｉｄｓｏｆｆｉｌｍ ｈｏｌｅｓｏｆｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｂａｓｅｄｏｎｍｕｌｔｉｂｌｏｃｋｐａｔｃｈｅｄｇｒｉｄｓ，ｗｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙｏｆｂｌｏｃｋｓａｎｄｕｓｅｄｉｔａｓｔｈｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ （ＧＡ）．Ｔｈｅｄｏｍａｉｎｗｉｔｈｈｏｌｅｓｗａｓ ｄｅｃｏｍｐｏｓｅｄｉｎｔｏｍｕｌｔｉｂｌｏｃｋｓａｎｄｔｈｅｐａｒｔｉｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ａｔｒａｎｓｆｉｎｉｔｅｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｗａｓａｄｏｐｔｅｄ ｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｇｒｉｄ．Ａｆｔｅｒｉｎｓｐｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｃａｎｏｂｔａｉｎｒｅａｓｏｎａｂｌｙｂｌｏｃｋｓｉｎｔｈｅｐｏｒｏｕｓｄｏｍａｉｎｓ，ａｎｄ ｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｇｅｎｅｒａｔｅｄｍｅｓｈｅｓｉｓｇｏｏｄ，ｗｈｉｃｈｓａｔｉｓｆｉｅｓＣＦＤｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ．
网格扭曲、偏斜、翘曲等。本文在总结和借鉴众多现有
商业网格生成软件网格质量评价模块的基础上，提出
了拼接多块的质量评价指标。显然，当子分区为立方
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｇｒｉｄｓ Ｇｅｎｅｔｉｃａｌｇｏｒｉｔｈｍ Ｍｕｌｔｉｂｌｏｃｋｐａｔｃｈｅｄｇｒｉｄｓ Ｔｕｒｂｉｎｅｂｌａｄｅｓ
０ 引 言
涡轮是发动机中动力负荷与热负荷最大的部件， 采用有效的冷却措施是发动机安全可靠工作的有效保 证，也是降低高温材料成本的措施［１］。随着航空发动 机性能 发 展 的 需 求，涡 轮 叶 片 的 冷 却 结 构 越 来 越 复杂［２］。
（ａ）Ｏ型分割 （ｂ）Ｙ型分割
图 １ 常见结构化网格分区方案
分区结果的质量评价函数是分区过程自动化的基
础。分块质量的好坏体现在对其生成的网格质量的影
响上，而网格的质量体现在对 ＣＦＤ计算结果的影响
上。通过理论分析及经验表明，ＣＦＤ对网格的一般性
要求为雅可比矩阵行列式的值大于 ０，其他指标包括
摘 要 为提高涡轮叶片计算域结构化网格生成效率，缩短数值模拟周期，提出一种处理涡轮叶片气膜孔的结 构化网格生成方法。该方法以多块拼接网格方案为基础，建立分区质量评价函数，并以此作为遗传算法的目标函 数；对多孔区域进行网格分区并优化分区结果；采用超限插值算法生成结构化网格。经检验，该方法在多孔区域 可以得到合理分区，生成网格质量较好，满足 ＣＦＤ计算需求。 关键词 结构化网格 遗传算法 多块拼接网格 涡轮叶片 中图分类号 ＴＰ３ 文献标识码 Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００３８６ｘ．２０１８．１１．０２６
工程上通常采用数值模拟技术预测涡轮叶片表面 温度分布以计算分析热应力，从而预估其寿命［３］。在 计算域的离散方面，结构化网格以其计算资源占用小、 收敛速度快、求解精度高、适用于大规模并行计算等优 点，在计算流体力学 ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍ
ｉｃｓ）领域具 有 不 可 替 代 的 地 位［４］。 然 而，由 于 涡 轮 叶 型复杂的几何结构，其计算域结构化网格生成一直是 数值模拟中的难点。在传统的网格生成过程中，通常 采用现有商业软件生成非结构化网格或非结构 ／结构 化混合网格，如 Ｇａｍｂｉｔ、ＩＣＥＭ、ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ等。即使采 用全结构化网格，网格生成周期也十分漫长，而且能否 生成结构化网格十分依赖工程技术人员经验。
为提高涡轮叶片网格结构化网格生成效率与自动 化程度，缩短 设 计 周 期，本 文 在 采 用 分 块 拼 接 网 格 策 略 ［５－６］与遗传算法 ［７］的 基 础 上，提 出 了 一 种 针 对 涡 轮 叶片表面气膜孔的结构化网格生成方案。首先建立了 分块质量评价函数，进而采用遗传算法寻求分区的最 优方案，最终生成结构化网格。
收稿日期：２０１８－０５－１７。张祥，硕士生，主研领域：ＣＦＤ结构化网格生成。刘勇，副教授。赵璐，硕士生。李亚清，硕士生。
ห้องสมุดไป่ตู้
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计算机应用与软件
２０１８年
１ 分块质量评价函数与遗传算法
ｗ＝１－ｍａｘ（β１，β２） ９０
（２）
１．１ 分块质量评价函数
目前，对于网格分区的质量评价大多依赖经验，常 见的经验分区有针对圆孔特征的“Ｏ型分割”、针对三 角特征的“Ｙ型分割”（如图 １所示）等。