一种压气机叶片积垢的多尺度建模方法

本发明涉及压气机叶片积垢建模领域，特别涉及一种考虑压气机叶片积垢非均匀特征的二维多尺度几何建模方法。

背景技术：

0、技术背景

1、在飞机频繁变工况飞行过程中(起飞、攀升、巡航、加力、低空、降落等)，大气中的悬浮颗粒物(灰尘、烟尘、碳氢气溶胶、花粉和盐等)不可避免地被吸入航空发动机，部分颗粒物沉积并经过长期累积，在压气机叶片表面形成了积垢现象。压气机叶片尺寸小负荷高，其性能对叶片型面极为敏感。而积垢不仅改变了压气机叶片几何形状导致流动损失增加，更堵塞了流道使发动机通流能力下降。

2、考虑到航空发动机运行的时间和工作状况差异、压气机叶片形状的多样性以及压气机内部气体流动的复杂性将会影响到积垢颗粒在叶片上的沉积，并且飞机飞行地区的多样性导致了大气环境中存在的杂质颗粒种类和尺寸的不同，这些因素最终导致压气机积垢呈现出不同的厚度分布形式和积垢几何特征。在叶片表面上的积垢呈现出多尺度、非均匀的形貌特征，主要表现为积垢厚度的增加和积垢粗糙结构变化，并且积垢后的表面积垢粗糙结构并非是规则形状，而是不规则的非均匀粗糙凹凸轮廓的变化。

3、已有针对叶片积垢的相关研究，主要是通过单纯地增加叶片厚度和粗糙度来模拟叶片积垢。叶片积垢的粗糙度表征方法是采用等效沙砾模型来修改湍流模型参数，研究积垢导致的叶片粗糙表面对压气机流场的影响，并不是在几何上真实的建模，并且该方法无法用于高保真求解积垢压气机叶片的微尺度扰动对流场的影响机理研究。而积垢厚度的表征通常从前缘至尾缘给定相同的数值，无法表征真实压气机运行中受来流及叶片形状影响导致的压气机叶片非均匀积垢厚度。因此，单纯地增加厚度和粗糙度方法模拟积垢无法反映出实际叶片积垢多尺度、非均匀、随机变化的几何形貌特征。

4、压气机气动性能对叶片型面极为敏感，必须考虑叶片积垢的宏观非均匀厚度和微观多尺度粗糙特征建立压气机叶片积垢几何模型，才能尽可能准确的评估积垢对压气机气动性能退化的影响机制。因此，充分考虑叶片积垢的宏观厚度不均匀性和微观形貌的粗糙程度，发展压气机叶片积垢非均匀、多尺度建模方法，是进一步评估积垢压气机气动性能退化的基础和先决条件。

技术实现思路

1、本发明的目的是，无需依据商用cfd软件中的粗糙壁面模型，在建模阶段实现压气机叶片积垢形貌非均匀多尺度特征的真实表征，为积垢压气机气动性能退化评估提供研究基础。

2、为了达到上述目的，本发明提供一种多尺度、非均匀的压气机叶片积垢建模方法，包括步骤：

3、步骤1，根据叶片积垢的形貌特征，将叶片积垢分为紧密层和松散层两部分，紧密层沿叶型轮廓光滑非均匀变化，松散层沿叶型轮廓具有非均匀多尺度的粗糙特征，将紧密层积垢和松散层积垢都定义为沿叶型弧线变化的函数，分别记为h0(x)和h1(x)，x表示叶型弧线位置，且定义积垢大小y＝h0(x)+h1(x)；

4、步骤2，按照真实叶片积垢分布区域，将干净叶型坐标划分为若干个区域，并对划分的每一个叶型区域坐标进行归一化，即x∈[0,1]，为了尽可能准确的描述叶片积垢的多尺度粗糙特征，同时满足网格划分要求，使l1μm≤xi+1-xi≤l2μm，以建立真实情况下叶片不同位置积垢分布不同的模型，便于实施步骤3和步骤4。

5、步骤3，紧密层积垢建立：采用hicks-henne函数来表征积垢叶片紧密层h0(x)非均匀分布特征，给定一系列控制参数以适应不同的紧密层积垢分布，a0控制积垢叶片紧密层的大小，t1控制紧密层积垢最大值的位置，t2表征紧密层积垢在叶型表面沿弧长的变化范围；

6、步骤4，松散层积垢建立：基于多重余弦函数叠加方法建立松散层积垢几何模型，变量ak为第k个函数中积垢粗糙结构高度大小，wk为第k个函数中积垢粗糙结构宽度大小，x为水平方向的坐标值，是为了避免耦合给定的随机相位，下标k代表函数中变量的序号，n为多重余弦函数的个数，计算得到紧密层积垢大小h1(x)；

7、步骤5，将紧密层积垢h0(x)和松散层积垢h1(x)在相同叶型轮廓线位置上进行叠加，获得相应轮廓线位置下积垢大小y；

8、步骤6，步骤5为积垢叶型坐标点的计算，具体包含：

9、步骤6.1，选择干净叶型上两个距离较近的坐标点a、b，构成向量先将向量的模取为最小值l1μm，计算向量与轴向弦长方向的夹角θ；

10、步骤6.2，基于求得的坐标点a处的积垢大小y及夹角θ，计算与向量垂直的向量求解向量上的积垢叶型坐标点；

11、步骤6.3，重复进行步骤6.1和步骤6.2，直至求得干净叶型上所有位置积垢后的叶型坐标，

12、步骤6.4，将所有积垢坐标光滑连接，可得积垢叶型的型线。

13、步骤7，将所有积垢叶型的坐标以geomturbo或dat文件格式输出，导入autogrid5或者icem软件中，检查积垢叶型几何文件是否连续，并判断是否可以建立符合cfd计算要求并足以描述该积垢叶型网格文件，否则增加δx＝xi+1-xi，重复进行步骤6，直到生成符合要求的积垢压气机叶片二维几何模型。

14、与现有方法相比，本发明的有益效果是：

15、(1)本发明考虑了真实压气机叶片积垢分布特征，所建立的积垢叶片模型具备真实压气机叶片积垢的非均匀和多尺度粗糙特征。

16、(2)本发明在建模阶段实现了压气机叶片积垢形貌非均匀多尺度特征的真实表征，且无需依据任何商用cfd求解器的粗糙壁面求解算法即可开展积垢压气机气动性能退化研究，为高保真数值求解积垢压气机叶片对流场的影响机理提供基础几何模型。

17、(3)本发明中所建立的积垢叶片模型不受压气机叶片形状的限制，为评估积垢压气机气动性能退化提供了一种更加准确可靠的新方法，具有更广泛的适用性。

技术特征：

1.一种压气机叶片积垢的多尺度建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明涉及压气机叶片积垢建模领域，特别涉及一种考虑压气机叶片积垢非均匀特征的二维多尺度几何建模方法。首先根据真实压气机叶片积垢分布将积垢划分为紧密层和松散层，然后建立紧密层积垢大小、位置及区域可控的数学模型，同时考虑松散层积垢的粗糙特征，建立松散层积垢粗糙单元高度、宽度及相位可控的数学模型，并基于CFD计算的网格要求及积垢真实形貌判断建模结果是否满足要求，构建积垢压气机叶片的非均匀多尺度几何模型。本发明提供的压气机叶片积垢多尺度建模方法，无需依据商用CFD软件中的粗糙壁面模型，在建模阶段即可实现压气机叶片积垢形貌非均匀多尺度特征的真实表征，为更加准确评估积垢压气机气动性能退化提供新工具和新方法。技术研发人员：高丽敏,涂盼盼,杨淞,魏沛羽受保护的技术使用者：西北工业大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20