平面叶栅气动性能确定方法、装置、存储介质及设备

摘要

本申请提供一种平面气动性能确定方法、装置、存储介质及设备，获取平面叶栅预设入口马赫数，设置出口反压初值；将所述预设入口马赫数输入第一函数模型，引用出口反压初值进行迭代计算，并获得出口反压；根据所述出口反压得到平面叶栅的实际入口马赫数；根据所述实际入口马赫数得到所述平面叶栅的气动性能。该方法通过构建出口反压与预设入口马赫数的函数关系，自动调节出口反压，得到入口马赫数，整个流程完全自动化调节出口反压的数值，无需人为干预，并且能够在与传统方法相近的计算量情况下获得更高精度的入口马赫数以及更高精度的平面叶栅总压损失，提高平面叶栅气动性能的计算精度。

说明书

技术领域

本发明涉及压气机技术领域，具体涉及一种平面叶栅气动性能确定方法、装置、存储介质及设备。

背景技术

压气机是通过高速旋转的叶片给空气做功来提高空气压力的一类机械部件，压气机的出口设置有扩压器，使气体在叶轮中获得的动能最大程度转化为压力。压气机是燃气涡轮发动机中的重要组成部件，应用在多个工业领域，特别是在航天航空、国防军工领域。航空发动机的性能对飞机整体性能有着决定性的影响，而压气机作为发动机的核心部件之一，决定了飞机整机性能的好坏。

叶片是压气机的主要组成部件，对压气机的性能有着至关重要的影响。平面叶栅设计方法是压气机叶片设计的常用方法，是根据平面叶栅风洞试验综合数据，设计通流结构的方法，因此平面叶栅设计是压气机叶片性能优劣的基础。近年，随着高性能计算机的快速发展，计算流体力学(computational fluid dynamics，CFD)被广泛应用于评估和分析平面叶栅气动性能的好坏。

通常情况下，平面叶栅的气动性能采用特定马赫数下的总压损失-攻角特性曲线来评价。但不同于外流计算的来流马赫数可以直接指定，内流计算需要调节出口反压来获得特定的入口马赫数，在现有的CFD计算中，为了让入口马赫数达到特定值，需要多次调整输入的出口反压数值，使其相应的入口马赫数达到指定值，一般在预估的需求出口反压附近选取四到五个反压状态，通过反向插值得到特定入口马赫数对应的反压。上述方法计算精度较低，需要多次选取反压状态，计算精度依赖于反压状态数值的选取经验，计算精度不好控制。

因此，如何提高平面叶栅的入口马赫数以及气动性能的计算精度，是本领域技术人员急需解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种平面叶栅气动性能确定方法，可以自动调整出口反压，使得入口马赫数计算自动化，并获得更高精度的入口马赫数，从而提高平面叶栅气动性能的计算精度。

第一方面，本发明提供了一种平面叶栅气动性能确定方法，包括：

获取平面叶栅预设入口马赫数，设置出口反压初值；

将预设入口马赫数输入第一函数模型，引用出口反压初值进行迭代计算，并获得出口反压，所述第一函数模型为

其中，p

根据出口反压得到平面叶栅的实际入口马赫数；

根据实际入口马赫数得到所述平面叶栅的气动性能。

优选的，所述将所述预设入口马赫数输入第一函数模型，引用出口反压初值进行迭代计算，并获得出口反压包括：

S1：将出口反压初值

S2:令n＝n+1,计算

S3：判断是否达到收敛条件

S4：计算收敛，令

其中，n为整数，f(p

第二方面，本发明提供一种平面叶栅气动性能确定装置，包括：

输入模块，用于获取平面叶栅预设入口马赫数，设置出口反压初值；

出口反压获取模块，用于将所述预设入口马赫数输入第一函数模型，引用出口反压初值进行迭代计算，并获得出口反压，第一函数模型为

其中，p

入口马赫数获取模块，用于根据出口反压得到平面叶栅的实际入口马赫数；

气动性能确定模块，用于根据实际入口马赫数得到所述平面叶栅的气动性能。

优选的，所述出口反压获取模块包括：

S1：将出口反压初值

S2:令n＝n+1,计算

S3：判断是否达到收敛条件

S4：计算收敛，令

其中，n为整数，f(p

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面中任一平面叶栅气动性能确定方法的步骤。

第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行上述第一方面中任一平面叶栅气动性能确定方法。

采用上述技术方案的有益效果是：本申请的一种平面叶栅气动性能确定方法，通过输入预设入口马赫数至预设入口马赫数-出口反压模型，得到满足预设入口马赫数相应的出口反压，将所述出口反压输入出口反压-入口马赫数模型，得到实际入口马赫数，并根据实际入口马赫数得到所述平面叶栅的总压损失，用于评价该平面叶栅的气动性能。与传统的计算方法相比，该方法整个流程完全自动化调整出口反压的数值，无需人为干预，能够与传统方法计算量相近的情况下获得更高精度的入口马赫数，从而得到更高精度的平面叶栅总压损失，提高平面叶栅气动性能的计算精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为一种平面叶栅气动性能确定方法示意图；

图2为一种平面叶栅气动性能确定方法验证实施例中不同攻角函数f(p

图3为一种平面叶栅气动性能确定方法验证实施例中不同攻角出口反压p

图4为一种平面叶栅气动性能确定装置示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。为了更详细说明本发明，下面结合附图对本发明提供的一种平面叶栅气动性能确定方法、装置、存储介质和设备，进行具体地描述。

压气机是燃气涡轮发动机中的重要组成部分，应用在航天航空、国防军工领域，航空发动机的性能对飞机整体性能有着决定性的影响，而压气机作为发动机的核心部件之一，决定了飞机整体性能的好坏。平面叶栅设计方法是压气机叶片设计的常用方法，是根据平面叶栅风洞试验综合数据，设计通流结构的方法，因此平面叶栅设计是压气机叶片性能优劣的基础。

压气机中一般设置有动叶和静叶，所述动叶和静叶的叶栅通道及气流相对于动叶和静叶的流动都有着共同的特点：气流在沿流向扩张的通道中减速扩压流动；气流的角度发生偏转，由与轴向的夹角大，偏转到与轴向的夹角小。

在压气机叶片的优化设计过程中，可以采用单独一排叶片来模拟气流在基元级中动叶或静叶中的流动，这种在平面上展开的模拟叶栅就是压气机的平面叶栅。

叶栅实验是研究叶栅内部复杂的流场结构和损失机理以及改善叶栅气动性能的主要方法，其中平面叶栅可以方便经济详细地得到二维叶型表面及槽道的等熵马赫数分布，激波位置、形状、强度和通道内各种漩涡结构等基本流动现象，处于气体动力学最基础的地位。

通常情况下，平面叶栅的气动性能采用特定马赫数下的总压损失-攻角特性曲线来评价。但平面叶栅的内流计算需要调节出口反压来获得特定的入口马赫数，在现有的CFD计算中，为了让入口马赫数达到特定值，需要多次调整输入的出口反压数值，使其相应的入口马赫数达到指定值，一般在预估的需求出口反压附近选取四到五个反压状态，通过反向插值得到特定入口马赫数对应的反压。上述方法计算精度较低，需要多次选取反压状态，计算精度依赖于反压状态数值的选取经验，计算精度不好控制。

本发明公开的一种平面叶栅气动性能确定方法，可自动调整出口反压以达到预设入口马赫数，使得入口马赫数的求解过程调节自动化，并且获得的平面叶栅气动性能具有更高的精度。

第一方面，如附图1所示，本发明提供了一种平面叶栅气动性能确定方法，包括：

S11:获取平面叶栅预设入口马赫数，设置出口反压初值；

其中，马赫数是速度与音速的比值，音速在不同高度、温度和大气密度等状态下具有不同数值，是一个相对值。马赫数在空气动力学中得到广泛使用，一般用于飞机、火箭等航空航天飞行器。

当马赫数Ma＜0.3时，流体所受的压力不足以压缩流体，仅会导致流体的流动，在此状况下，流体密度不会随压力而改变，此种流场称为亚音速流，流场可视为不可压缩流场，一般的水流及大气中的空气的流动，譬如湍急的河流、台风风场和汽车的运动，皆属于不可压缩流场。但流体在高速运动(流速接近音速或大于音速)时，流体密度会随压力而改变，此时气体的流动称为可压缩流场。当马赫数满足0.3≤Ma≤0.8时属于亚音速可压缩流，当马赫数满足0.8≤Ma≤1.2时属于跨音速可压缩流，当马赫数Ma满足1.2≤Ma≤5时属于超音速可压缩流，此类情况在航空动力学中才会遇到，当马赫数Ma满足Ma≥5时属于超高音速可压缩流。

所述入口马赫数为平面叶栅在压气机内部流场中叶栅前缘入口处的流体速度与音速的比值。

出口反压为平面叶栅在压气机内部流场中叶栅后缘出口处受到空气分子不规则运动撞击所产生的压力。

S12:将所述预设入口马赫数输入第一函数模型，引用出口反压初值进行迭代计算，并获得出口反压，所述第一函数模型为

其中，p

S13:根据所述出口反压得到平面叶栅的实际入口马赫数；

S14:根据所述实际入口马赫数得到所述平面叶栅的气动性能。

其中，所述平面叶栅的气动性能是根据总压损失-攻角曲线评价确定的，而总压损失-攻角曲线是根据入口马赫数以及出口反压计算获得。

上述的一种平面叶栅气动性能确定方法，将出口反压调整入口马赫数的问题转化为求解预设入口马赫数对应的出口反压值问题，从而可根据预设的入口马赫数求解得到相应的出口反压值，再根据准确的出口反压值得到准确的入口马赫数，并计算得到该平面叶栅的总压损失，避免了传统给平面叶栅气动性能确定过程中反复计算不同出口反压值以及其相应的入口马赫数，也减弱了入口马赫数计算过程中依赖经验设置出口反压值的问题。

在上述平面叶栅气动性能确定方法中，优选的，将预设入口马赫数输入第一函数模型，引用出口反压初值进行迭代计算，并获得出口反压，所述迭代计算具体可为割线法。

对于根据第一函数模型获得出口反压，该模型的结果有四种情况：

(1)两个解，一个解对应入口速度方向指向流道内部，为物理问题的正确解，一个解对应入口速度方向指向流道外部，对应的物理现象为反压值过大，流动反向，为非正确值；

(2)一个解，对应入口速度方向指向流道内部，为物理问题的正确解；

(3)一个解，对应入口速度方向指向流道外部，对应的物理现象为反压值过大，流动反向；

(4)无解，对应的物理问题也无解。

由于所述第一函数模型的具体函数形式为非显性形式，采用上述牛顿法需要处理数据量较大，步骤较为复杂；采用割线法处理时，其收敛速度与牛顿法相比，通过给定的初值靠近解更有利于迭代过程的收敛。

具体的，所述将所述预设入口马赫数输入第一函数模型，采用割线法进行计算，并获得出口反压包括：

S1：将出口反压初值

其中，所述黑箱函数并没有显式表达式，导数也不可用，可以根据输入的出口反压，经过黑箱函数运算后输出对应的实际入口马赫数。

S2:令n＝n+1,计算

S3：判断是否达到收敛条件

S4：计算收敛，令

其中，n为整数，f(p

为了更好地展示本发明提出的平面叶栅气动性能确定方法步骤简单以及获取的入口马赫数以及平面叶栅气动性能精度较高的技术效果，给出验证实施例具体如下：

参见附图2和附图3，针对上述平面叶栅气动性能确定方法给出验证实施例为：

以预设入口马赫数为0.7，设置收敛条件ε＝1.0×10

第二方面，如附图4所示，本发明提供一种平面叶栅气动性能确定装置，包括：

输入模块，用于获取平面叶栅预设入口马赫数，设置出口反压初值

出口反压获取模块，用于将所述预设入口马赫数输入第一函数模型，引用出口反压初值进行迭代计算，并获得出口反压，第一函数模型为

其中，p

入口马赫数获取模块，用于根据出口反压得到平面叶栅的实际入口马赫数；

气动性能确定模块，用于根据实际入口马赫数得到所述平面叶栅的气动性能。

优选的，所述出口反压获取模块包括：

S1：将出口反压初值

其中，所述黑箱函数并没有显式表达式，导数也不可用，可以根据输入的出口反压，经过黑箱函数运算后输出对应的实际入口马赫数。

S2:令n＝n+1,计算

S3：判断是否达到收敛条件

S4：计算收敛，令

其中，n为整数，f(p

第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面中任一平面叶栅气动性能确定方法的步骤。

所述计算机可读存储介质可以是诸如闪存、EEPROM(电可擦除可编只读程存储器)、EPROM(可擦除可编只读程存储器)、硬盘或者ROM之类的电子存储器。可选的，计算机可读存储介质包括非瞬时性计算机可读介质(non-transitory computer-readable storagemedium)。计算机可读存储介质具有执行上述方法中的任何方法步骤的程序代码的存储空间。这些程序代码可以从一个或者多个计算机程序产品中读出或者写入这一个或者多个计算机程序产品中，所述程序代码可以以适当形式进行压缩。

第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时执行上述第一方面中任一平面叶栅气动性能确定方法。

所述计算机设备包括存储器、处理器以及一个或多个计算机程序，其中一个或多个计算机程序可以被存储在存储器中并被配置为由一个或多个处理器执行，一个或多个应用程序配置用于执行上述平面叶栅气动性能确定方法。

处理器可以包括一个或多个处理核。处理器利用各种接口和线路连接整个计算机设备内的各个部分，通过运行或执行存储在存储器内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储器内的数据，执行计算机设备的各种功能和处理数据。可选地，处理器可以采用数字信号处理(Digital Signal Processing，DSP)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、可编程逻辑阵列(Programmable Logic Array，PLA)中的至少一种硬件形式来实现。处理器可集成中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、埋点数据的上报验证器(Graphics Processing Unit，GPU)和调制解调器等中的一种或几种的组合。其中，CPU主要处理操作系统、用户界面和应用程序等；GPU用于负责显示内容的渲染和绘制；调制解调器用于处理无线通信。可以理解的是，上述调制解调器也可以不集成到处理器中，单独通过一块通信芯片进行实现。

存储器可以包括随机存储器(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储器(Read-Only Memory)。存储器可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令集。存储器可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储用于实现操作系统的指令、用于实现至少一个功能的指令(比如触控功能、声音播放功能、图像播放功能等)、用于实现上述各个方法实施例的指令等。存储数据区还可以存储终端设备在使用中所创建的数据等。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。