燃气涡轮三维弯扭叶片性能仿真实验


1.实验目的

燃气涡轮被广泛应用于航空发动机、重型燃气轮机、舰船动力、分布式能源动力等动力装置,直接关系到国防和国民经济发展。涡轮叶片是燃气涡轮进行功、能转换的核心单元。在当前国家积极推进“航空发动机和燃气轮机重大专项”的大背景下,推进涡轮叶片设计教育,培养两机专业人才,具有迫切性。

燃气涡轮内部流动状态极其复杂,涉及到高温、高压、高流速、全三维流动等问题,在此条件下的实物实验成本非常高,甚至根本不能开展实物实验。本燃气涡轮三维弯扭叶片性能仿真实验借助当前计算机能力和虚拟仿真技术的快速发展,结合哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心近50余年来积累的航空发动机研究和设计的系列软件,为本科生和研究生提供虚拟实验教学。

具体实验目的如下:

(1)让学生掌握燃气涡轮叶片成型和性能分析方法,更直观掌握涡轮叶栅内部三维流场结构,更系统掌握涡轮发动机工作原理和结构。

(2)培养学生进行气体动力学基础研究和航空发动机叶片设计的能力。

(3)通过本虚拟实验提高自主学习和自主研究燃气涡轮叶片的专业素质。

2.实验原理

本实验重点关注燃气涡轮弯扭叶片成型方法,包括二维基准型面、三维弯扭积叠,通过CAD/CFD计算仿真获取弯扭叶片绕流特征,进一步分析弯扭叶片对燃气涡轮性能的影响。

知识点数量:4(个)

(1)燃气涡轮叶片工作原理,叶片参与功、能转换的过程。

(2)涡轮叶片设计的基本步骤和方法,包括11参数法、NURBS曲线生成方法、三维积叠方法。

(3)涡轮叶片性能仿真方法和流程,包括计算域选取、网格拓扑及划分、边界条件设置以及计算结果后处理方法。

(4)涡轮叶栅内三维流场结构分析方法,以及弯扭叶片关键参数与涡轮性能之间的联系及其对三维流场结构的影响关系。

3.实验仪器设备(装置或软件等)

(1)学生进行实验的主要仪器设备包括一台CPU I5以上、内存8G以上的客户端电脑,以及Google Chrome、FixeFox等浏览器。

(2)服务器端配置多台高性能计算服务器形成的并行计算集群,单台硬件配置:两颗Intel Xeon E5 2686V4处理器(单颗处理器18核心,36线程)、160G内存、4TB企业级硬盘以上,可满足实验机房和远程多客户虚拟实验操作。

(3)虚拟实验管理/任务调度服务器一台,配置Windows Server2012以上Server系列操作系统,虚拟实验管理/任务调度系统一套。

(4)计算服务器上配置Windows Server操作系统,自主研发的系列软件(已获取13项软件著作权),包括BladeEditor、HIT_aeromesh、SU2流场分析软件等。

(5)本项为非必需项,3D激光扫描仪和3D打印机,本系统预留开发了相关数据接口,在后续实验中会逐步开放。

4.实验材料(或预设参数等)

该虚拟仿真实验以自主开发的CFD流场模拟程序为主要仿真软件,基于实验管理系统设定和提交任务到计算机服务集群进行三维流场计算,并返回计算结果进行后处理分析得到详细直观的虚拟仿真实验结果。

预设参数包括GE E3发动机的第一级涡轮静叶片几何参数、进口总温总压、出口静压。实验过程中给定5个方案,包括正弯25°、正弯15°、反弯25°、反弯15°以及直叶片,弯高定为10%叶高处(10%-20%叶高处多方案留作课后和进阶虚拟实验练习)。

3D扫描及打印,本实验平台预留了3D激光扫描和3D打印数据接口,以便有条件的实验室或学生可以直接将现有叶片进行3D扫描,通过叶片性能分析及优化改型后再进行3D 打印,对原型实物叶片和改型叶片进行直接对比分析。这套系统在后续将逐步开放。

5.实验教学方法

教学方法包括研讨式讲授、实践操作、口头报告,实施过程分为四个环节,包括:实验指导和基础方案讲解、分组研讨确定进阶方案、操作执行虚拟实验和形成初始报告并进行口头汇报讨论。

(1)实验指导和基础方案讲解

利用30分钟左右的课堂讲解或多个短视频(在线)引出弯扭叶片流场结构虚拟实验的重要性,说明实验的基本步骤、实验内容,并进行适当操作展示,同时给出2-5中提到的5种方案,要求学生选择2-3个方案进行操作训练,基于这些基础方案自行讨论并确定额外两种进阶方案,两种进阶方案的虚拟实验结果将形成报告并作口头汇报。
通过这一环节可以让学生迅速了解实验内容,并掌握基本操作。

(2)分组研讨式确定进阶方案

在熟悉实验内容后,将分组讨论(在线情况下以论坛或者视频会议讨论),要求学生从弯高、弯角和进出口条件出发构建虚拟实验的进阶方案,并进行论证、研究,通过虚拟实验作进一步探讨。该环节是研讨式教学的重要环节,通过这个环节可以让学生在研讨中加深对问题的认识,并能够借助虚拟实验的平台迅速验证和进一步探讨。

(3)操作执行虚拟实验

小组分工合作按照操作步骤执行虚拟实验,包括基础方案和进阶方案。本环节是真正实施的环节,通过这个环节可以让学生真正掌握相关软件使用流程、分析方法等,并逐步掌握通过数值方法进行弯扭叶片研究的基本过程。

(4)形成初始报告并进行口头汇报讨论

在完成相关虚拟实验后,要求学生能够迅速形成实验报告,并进行口头汇报(在线情况下以论坛书面报告、共同讨论的形式为主),详细说明该组完成的虚拟实验内容、思路以及取得的结果,并对结果进行分析,说明弯扭叶片流场结构变化及其与弯扭参数的关联,小组间可以提问讨论,老师给予评分。本环节是总结提升环节,学生能更深理解实验内容。

根据这两年的教学实践来看,实施效果非常好。学生们普遍认为更有兴趣、更有收获而且掌握了专业工具和方法,能够具备独立完成虚拟实验和进行初步研究的能力。大多数学生在课后会借此开展更多的学习和研究,通过课后学生频繁地联系老师并讨论很多问题来看,学生们非常喜欢本虚拟仿真教学实验系列课程。