作者 | 吳昌 博士 仿真秀專欄作者

首發 | 仿真秀App

導讀：葉輪機械的設計與優化在諸多行業中具有重要作用，包括發電、航空航天和船舶等。設計高效葉輪機械需要綜合考慮氣動學、熱力學、流體力學、結構分析和材料科學等多個學科。主要目標是在滿足高效、可靠和安全等嚴格操作要求的同時，最大程度地提高性能。氣動設計是葉輪機械優化的基礎。它涉及精心塑造葉片剖面和通道，以實現最佳的流體流動特性，如最小化由于湍流、分離和激波引起的損失。

近年來，計算能力和模擬能力的進步已經徹底改變了葉輪機械的設計與優化。計算流體動力學（CFD）模擬和實驗測試通常用于分析和改進葉輪機械組件的氣動性能。優化技術包括遺傳算法、代理建模和多目標優化，用于探索設計空間并確定最佳解決方案。這些方法使工程師能夠系統評估各種設計參數，如葉片幾何形狀、流通路徑配置和操作條件，以改善效率、壓力比和功率輸出等性能指標。高保真度的模擬結合優化算法使工程師能夠探索創新的設計理念，快速評估性能權衡，并加速開發周期。此外，機器學習和數據驅動方法的整合顯示出進一步提高渦輪機械設計流程效率和穩健性的潛力。

總之，葉輪機械的氣動設計與優化需要綜合運用多學科和方法，以實現性能、效率和可靠性的提升。計算工具、優化算法的持續進步預計將進一步推動該領域的發展，促進未來更高效、可持續的渦輪機械系統的發展。由于葉輪機械種類繁多，本文從葉輪機械幾何結構和流動特征的相似性特點出發，闡述如何借助先進工具高效進行葉輪機械的氣動設計與優化。歡迎大家報名5月25日，筆者在仿真秀2023旋轉機械設計仿真第七期線上講座《基于Fidelity一站式葉輪機械設計與優化方案》，詳情見后文。

一、葉輪機械的做功原理

基于流體（如氣體或液體）與旋轉元件（通常是轉子或葉輪）之間的能量轉移闡述葉輪機械的做功原理。以透平和壓縮機為例，闡述葉輪機械的工作原理。

透平：透平用于將流體的能量轉化為機械功。在渦輪機中，流體以高速度和壓力進入設備，并通過一系列靜葉片和轉動葉片。當流體流過葉片時，其動能轉移到轉子上，導致轉子旋轉。轉子的旋轉產生機械功，可用于驅動發電機、產生推力或執行其他任務。

圖1 透平示意圖

壓縮機：壓縮機的工作方式與渦輪機相反。它們利用機械功來增加流體的壓力和能量。在壓縮機中，轉子葉片加速流體并向其傳遞動能。當流體通過壓縮機時，其壓力和能量增加。這種增壓的流體可以用于燃燒、制冷或發電等各種用途。

圖2 壓氣機示意圖

總之，葉輪機械通過利用流體與旋轉元件之間的能量交換來執行工作，無論是從流體中提取能量（如透平），增加流體壓力（如壓縮機）還是將流體從一個位置轉移到另一個位置（如泵）。

從流體力學基本原理闡述葉輪機械的做功原理，歐拉公式是渦輪機械中的基本方程，它將流體通過渦輪機械時所做的功與其能量和流動特性的變化聯系起來。它以瑞士數學家歐拉的名字命名，他在流體動力學方面做出了重要貢獻。

歐拉方程可以表示為：

其中：

（1）ΔH是流體的比焓變化

（2）U1和U2分別是流體在進口和出口處的絕對速度

（3）C1和C2分別是相對于轉子或葉片的流體的絕對速度

（4）g是重力加速度

（5）Z1和Z2分別是進口和出口處的海拔高度

（6）Ws是軸對流體所做的功

歐拉方程是基于能量和動量守恒原理推導出來的。它描述了流體通過轉子或葉片時流體與渦輪機械之間的能量轉移過程。歐拉方程中的項代表了不同的能量組成部分。第一項代表了流體動能的變化。第二項代表了由于轉子或葉片作用引起的相對動能的變化。第三項代表了由于高度差引起的流體的勢能變化。最后一項Ws代表了軸對流體所做的功。歐拉方程幫助工程師理解渦輪機械中發生的能量轉換，并提供流體動力學和熱力學方面的見解。通過利用歐拉方程，工程師可以根據渦輪機械的設計參數（如葉片幾何形狀、流動條件和操作參數）做出明智決策，以最大限度地提高渦輪機械的能量提取和效率。

二、葉輪機械幾何結構的特點

幾何特征對渦輪機械的設計和優化至關重要。渦輪機械，如燃氣輪機、壓縮機和泵，依靠移動葉片或導葉與流體之間的相互作用來傳遞能量。這些葉片或導葉的設計在決定渦輪機械性能和效率方面起著關鍵作用。

渦輪機械的幾何特征包括葉片/導葉形狀、葉片/導葉間距和流通路徑配置。葉片或導葉的形狀對渦輪機械內的流體流動和能量傳遞起著至關重要的作用。通過控制葉片的彎掠扭形狀可以實現特定的流動特性，例如高壓比、低損失或高效率。此外，葉片或導葉之間的間距會影響流通路徑和流體與葉片或導葉之間的相互作用。

流通路徑配置指的是渦輪機械中葉片或導葉的形狀和布置方式。不同的流通路徑配置可用于優化特定工況下的性能和效率。例如，離心壓縮機使用徑向流通路徑配置以在低壓比下實現高流量；而軸流式流通路徑配置則用于燃氣渦輪中實現高壓比和高效率。

圖3 流通路徑配置示意圖

另一個重要的幾何特征是葉片角度或導葉角度，通過控制葉片的彎掠扭形狀可以實現特定的流動特性，例如高壓比、低損失或高效率。

圖4 三維扭曲葉片示意圖

雖然葉輪機械的使用場景和目的不同，但其幾何和拓撲結構具有相似性。葉片或導葉的設計、葉片或導葉之間的間距、流通路徑配置以及葉片或導葉角度在決定渦輪機械內的流體流動和能量傳遞方面發揮著重要作用。工程師利用先進的設計和優化工具，如計算流體力學（CFD）和優化工具，來優化這些幾何特征，提高渦輪機械的性能。

圖5 基于Cadence Fidelity的自動結構化網格劈分

圖6 基于Cadence Fidelity的結構化網格構建

三、葉輪機械的流動特性

葉輪機械的流動特性指的是流體通過渦輪機械的葉片、導葉和流道時的行為特性。這些特性在決定渦輪機械系統的性能、效率和可靠性方面起著關鍵作用。以下是一些關鍵的流動特性：

圖7 透平內部流動分布

1. 速度分布：流體的速度分布是一個重要特性。它描述了流體速度在流道中的變化情況。在理想情況下，速度應該是均勻的且能夠得到良好控制，以確保有效的能量傳遞和最小化損失。然而，在實際情況下，由于葉片幾何形狀、流動分離和邊界層效應等因素，速度的變化是不可避免的。

2. 壓力分布：壓力分布指的是流體壓力在流道中的變化情況。它受到葉片幾何形狀、流道形狀和工作條件的影響。優化的壓力分布確保了均勻的壓力恢復并最小化損失，從而提高了效率。

3. 流動分離：當流體無法沿著預期的流動路徑行進并與葉片表面分離時，就會發生流動分離。這種現象可能導致損失增加、效率降低甚至機械損壞。通過適當的設計和流動控制技術，可以最小化流動分離并保持沿著葉片表面的平滑流動。

4. 邊界層：邊界層是緊鄰葉片表面的一層薄薄的流體層，其中速度梯度和剪切力很大。它可能會影響整體流動行為并引起額外的損失。通過邊界層控制或葉片形狀等技術控制邊界層，有助于提高效率和性能。

5. 二次流動：二次流動指的是與主要流動方向偏離的流動模式。這些流動是由于葉片曲率、流動轉向和壓力梯度等因素引起的。二次流動可能會影響渦輪機械的性能和效率，需要在設計過程中考慮其影響。

6. 汽蝕：汽蝕發生于局部流體壓力低于蒸汽壓力時，導致蒸汽泡的形成和崩潰。它可能導致渦輪機械的侵蝕、振動和性能下降。對汽蝕效應需要通過適當的設計、材料選擇和操作考慮進行細致管理。

理解和分析這些流動特性對于渦輪機械系統的設計、優化和性能評估至關重要。計算流體動力學（CFD）模擬、實驗測試和先進的測量技術通常被用于研究和改善流動行為，確保高效能量傳遞、最小化損失和可靠運行。

四、Fidelity平臺的一站式流動設計優化解決方案

基于葉輪機械的幾何和流動特點以及做功原理，Cadence Fidelity可以實現全自動化一站式設計與優化。

其一站式解決方法流程為：Agile實現高效初始參數化設計或者通過Autoblade導入已有幾何實現已有設計的逆向參數化。AutoGrid可以實現全自動化葉輪機械結構化網格劈分。通過Fidelity的solver進行CFD計算，Design 3D可以實現將設計，CFD仿真，結果拾取和優化的自動化流程。

圖8 Cadence Fidelity 平臺全自動化優化流程

審核編輯：湯梓紅