一种叶轮机械叶片气动模型的建模方法与流程

本发明涉及叶轮机械气动模型技术领域，尤其涉及一种叶轮机械叶片气动模型的建模方法。

背景技术：

叶轮机械气动性能数值计算的前提是对气动模型进行网格拓扑，市场上现有的针对叶轮机械的网格生成软件和程序有很多，可以方便快捷地生成结构化网格。但这些网格生成软件或程序大多数对三维模型或者数值模型要求较为严格，或要求为简洁准确的三维叶片模型，或要求为能够代表叶片的按某种格式排列的数据点。

叶轮机械叶片的三维实体模型通常由各种片体、曲面经剪裁缝合得到，在与网格生成软件对接时，一些经处理的线条或曲面仍然会有多余的部分，不能成功被利用。且市面上的一些将三维实体模型转化为气动模型的软件往往精度不够高，常常导致叶片前缘及其附近变形，故此需要将其处理成按某种格式排列的数据点。在叶片建模过程中，为了得到数据点，需要首先使用子午流线截取不同叶高截面的叶型；在叶型上(包括压力面、吸力面、前缘、尾缘等)布置合适的数据点；导出不同截面上的数据点，前缘、尾缘数据点分别分成两部分，相应地配给压力面和吸力面，再按从前缘到尾缘的顺序将点分别沿压力面、吸力面排列，得到两列数据点；最后将不同叶高截面上的数据点按压力面、吸力面的顺序进行排列，即得到可进行网格划分的叶片气动模型。

上述方法得到的数据点在导出后顺序是打乱的，需要对数据进行进一步处理，数据处理需要分别对压力面、吸力面、前缘、尾缘分别进行排序，排序需要按实际模型进行确定，经常与数据代数大小有区别，之后将数据整体组合或分别组合也需要按顺序进行。整个过程中大量数据需要手动处理，工作量大，容易出错，极易引起操作者视觉疲劳。此外，如果针对的叶片尺寸大、扭曲程度高，需要更多的叶高截面数据和更多的布点去精确建模，极大地增加了数据处理的工作量，需要耗费更多的时间和精力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种叶轮机械叶片气动模型的建模方法，在保证建模精度的条件下解决现有气动建模方法耗费时间长、占用个人精力多、易出错等问题，能对叶轮机械的叶片快速进行气动模型建模，建模时间短，建模精度高；操作者不必处理大量数据，可以有效减缓眼部疲劳。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种叶轮机械叶片气动模型的建模方法，包括：

步骤s1、读取叶片的三维实体模型，所述三维实体模型包括压力面、吸力面、前缘和尾缘；

步骤s2、对所述压力面和所述吸力面分别进行网格拓扑，得到两个网格面，通过两个所述网格面上的节点分布生成不具备完全方向性的所述压力面和所述吸力面；

步骤s3、对不具备完全方向性的所述压力面和所述吸力面进行放样，生成具备方向性的压力面和吸力面；

步骤s4、将具备方向性的所述压力面和所述吸力面组合，并与流道线合并，生成几何实体。

作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤s1中，以线和面的方式读取所述叶片的所述三维实体模型。

作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤s2前，还包括：

s021、将所述前缘和所述尾缘分别打断，各形成两部分；

s022、将打断后的两部分所述前缘分别与所述压力面、所述吸力面进行组合，将打断后的两部分所述尾缘分别与所述压力面、所述吸力面进行组合，生成组合的所述压力面和所述吸力面。

作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤s2中，还包括增加所述网格面的控制点使所述网格面贴合所述三维实体模型。

作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤s3前，还包括在所述压力面和所述吸力面上分别插入多条叶高截面线。

作为本发明的一种优选的技术方案，所述压力面插入的所述叶高截面线条数等于所述吸力面插入的所述叶高截面线条数。

作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤s3中，在所述压力面和所述吸力面上沿叶高方向分别依次拾取多个所述叶高截面线并进行放样。

作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤s3中，放样后的所述压力面和所述吸力面均沿展向具备方向性。

作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤s3后，还包括将所述压力面和所述吸力面以数据格式输出。

作为本发明的一种优选的技术方案，在所述步骤s4后，还包括将所述几何实体以数据格式导出，形成气动模型。

本发明的有益效果：本发明所提供的叶轮机械叶片气动模型的建模方法，用网格节点分布代替点集在各叶高截面上的分布，网格节点设置简单，一次性可以设置整个几何面，不需要在各叶高截面分别设置。通过对压力面和吸力面分别进行网格拓扑生成网格面并得到不具备完全的方向性的几何面，经过放样、压力面和吸力面组合及合并流道线，最终生成几何实体。整个建模过程不需要直接面对数据处理，将大量繁琐的数据排序处理变成对线、面等地直观处理，减少出错率；操作者不必面对大量数据，可以有效减缓眼部疲劳。针对大尺寸弯扭叶片、多级叶轮机械，在保证建模精度的前提下极大地减少了数据处理的工作量，对于三级轴流叶轮机械，气动建模时间可以缩短一半，叶片级数越多、模型越复杂，取得的时间收益越大。

附图说明

图1是本发明实施例提供的叶轮机械叶片气动模型的建模方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的叶轮机械叶片气动模型的建模方法中读取的仅包含线和面的三维实体模型；

图3是本发明实施例提供的叶轮机械叶片气动模型的建模方法中面网格贴合压力面和前缘的示意图；

图4是图3的局部放大示意图；

图5是本发明实施例提供的叶轮机械叶片气动模型的建模方法中通过叶高截面线放样得到的压力面；

图6是本发明实施例提供的叶轮机械叶片气动模型的建模方法中压力面和吸力面合并流道线后的叶片结构示意图。

图中：

1、压力面；2、吸力面；3、前缘；4、尾缘；5、轮盘；6、轮盖；7、叶高截面线；

100、主节点；200、叶片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步地详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1-图6所示，本发明实施例提供一种叶轮机械叶片气动模型的建模方法，包括如下步骤：

步骤s1、读取叶片200的三维实体模型，三维实体模型包括压力面1、吸力面2、前缘3和尾缘4；

读取的叶片200的三维实体模型一般包括压力面1、吸力面2、前缘3、尾缘4等片体或者曲面等四部分，以线和面的方式读取三维实体模型，读取后，识别的线即为叶片200的边界，同时也是面的边界。面是由压力面1、吸力面2、前缘3、尾缘4组成的叶片200真实模型，不包括建模过程中产生的辅助面、延伸面，如图2所示。其中，绝对坐标系的原点位于叶片200的旋转轴线上，z轴的正方向一般为叶片200的流向，沿叶高方向为叶片200的展向。具体地，叶片200除了压力面1、吸力面2、前缘3、尾缘4之外，还包括轮盘5和轮盖6，在此不需要进行读取。

步骤s2、将前缘3和尾缘4分别打断，各形成两部分；将打断后的两部分前缘3分别与压力面1、吸力面2进行组合，将打断后的两部分尾缘4分别与压力面1、吸力面2进行组合。对组合后的压力面1和吸力面2分别进行网格拓扑，得到两个网格面，通过两个网格面上的节点分布生成新的压力面1和吸力面2，此时，压力面1和吸力面2均不具备完全的方向性；

在本步骤s2中，首先要将前缘3和尾缘4分别打断，各形成两部分；将打断后的两部分前缘3分别与压力面1、吸力面2进行组合，将打断后的两部分尾缘4分别与压力面1、吸力面2进行组合。以压力面1为例，如图3所示，压力面1的面网格起始点分别为前缘3中部的0％叶高、前缘3中部的100％叶高、尾缘4中部的0％叶高、尾缘4中部的100％叶高。在设置面网格的四个主节点100时，要遵循沿流向从前缘3往后缘4、沿叶高从轮盘5到轮盖6的顺序进行。如图4所示，可以看出，压力面1生成的网格面包含对部分前缘3的几何面进行网格拓扑。优选地，增加网格面的控制点可使网格面更贴合三维实体模型，通过节点分布使面网格精确贴合压力面1的几何面，使接近前缘3和尾缘4处几何过渡良好且贴合叶片200的实体模型。在得到满意的网格面后，通过网格面上的节点分布规律生成由多曲线组成的压力面1，此时得到的压力面1基本与网格面完全一致。对吸力面2进行同样的上述操作，即可得到新的由多曲线组成的吸力面2。

巧妙地将前缘3和尾缘4打断为两部分，并各自与压力面1、吸力面2进行组合，可以使面网格更好地贴合前缘3、尾缘4与压力面1、吸力面2相交处，最终生成的模型能够过渡良好。通过面网格生成多曲线组成的几何面，可以大幅提高气动模型上接近前缘3和尾缘4处的精度，消除某些反向建模软件导致的(近)前/尾缘失真的现象。此时，经过步骤s3得到的几何面具有随机方向性，曲线或是沿流向，或是沿展向。

步骤s3、在压力面1和吸力面2上分别插入多条叶高截面线7；在压力面1和吸力面2上分别依次拾取多个叶高截面线7并进行放样，生成具备方向性的压力面1和吸力面2；

在步骤s2中得到的压力面1和吸力面2上插入叶高截面线7，其中，叶高截面线7的条数依据需求给定，如图5所示。对于一些扭曲程度高的叶片200，可选取更多的叶高截面线7，保证放样后压力面1和吸力面2的真实性。沿叶高方向从轮盘5到轮盖6依次拾取各叶高截面线7，分别对压力面1、吸力面2的网格面上的曲线族进行放样，得到新的、具备方向性的压力面1和吸力面2。优选地，应保证同一个叶片200的压力面1和吸力面2具有几何完全重合的前缘3和尾缘4，且叶高截面线7的条数完全一致，也即：压力面1插入的叶高截面线7条数等于吸力面2插入的叶高截面线7条数。此时，对应截面的前缘3和尾缘4完全重合，沿叶片200展向的方向一致。最后，分别将压力面1和吸力面2以特定的数据格式输出。

步骤s4、将具备方向性的压力面1和吸力面2组合，并与流道线合并，生成几何实体；

将步骤s3中得到的压力面1、吸力面2进行合并，生成前缘线、尾缘线、压力面1、吸力面2，构成仅包含压力面1、吸力面2的完全叶片200的几何实体。根据需求，可根据延展规律将叶片200沿展向进行有限延伸(可超出流道线)；也可将最新生成的压力面1、吸力面2与流道线合并，生成所需的气动模型，如图6所示。将新生成的几何实体按网格生成软件或者程序要求的格式导出，即可得到合适的气动模型。对于计算域为流体域的气动模型，可以只用压力面1、吸力面2来代替叶片200实体，再合并流道线，即可得到封闭的叶片200。

本发明实施例的叶轮机械叶片气动模型的建模方法，用网格节点分布代替点集在各叶高截面上的分布，网格节点的设置简单，一次性可以设置整个几何面，不需要在各叶高截面上分别设置。整个建模过程操作者不需要直接面对数据处理，将大量繁琐的数据排序处理变成对线、面等进行直观处理，减少出错率；操作者不必面对大量数据，可以有效减缓眼部疲劳。针对大尺寸弯扭叶片200和多级叶轮机械，传统方法需要截取较多的叶高截面使气动模型贴近几何模型，本发明实施例的叶轮机械叶片气动模型的建模方法，在保证建模精度的前提下极大地减少了大量数据处理的工作量，对于三级轴流叶轮机械，气动建模的时间可以缩短一半，随着叶片200的级数越多、模型越复杂，取得的时间收益越大。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。