GridPro助力NASA格伦研究中心

NASA Glenn研究中心应用GridPro分析涡轮传热

Program Development Company（PDC公司）感谢Vijay K. Garg后来在涡轮冷却CFD方面的进一步工作，该领域的工作目前正由包括James D. Heidmann 在内的NASA Glenn研究中心的同事们继续进行。

目前燃气涡轮发动机已经广泛用作动力发生装置。因为效率和功率重量比高，轮船使用了燃气涡轮发动机，工业电厂也使用燃气涡轮，现在军用和大的商用飞机都使用涡扇喷气发动机，因为它们在高空的高速性能和效率高。随着燃料价格的不断上涨，燃料已经成为所有航班最大的运行开销，所以要尽量提高这些发动机的效率，这当然面临许多挑战。

GridPro生成的燃气涡轮发动机网格图

一个基本的燃气涡轮发动机包括3个阶段：第1阶段为压缩机，该压缩机压缩的空气进入第2阶段——燃烧室。在燃烧室中燃料与空气混合，在高温高压下燃烧，然后通过第3阶段——涡轮机——排出。在大多数情况下，涡轮机从逸出的气体中收集能量，转而为压缩机以及外部元件提供动力。例如，在涡轮发动机中，一些由涡轮机从逸出的气体中收集的能量通过轴为风扇提供动力，而且一些（气体）逃逸通过尾部来提供推力。

众所周知，热力学分析认为，提高涡轮入口温度会使整体效率得到提升。现代发动机被设计成在涡轮机入口温度（1800至2000K左右）下运行，而这样的温度大大超过了金属的最大允许温度。即使是现有的最先进的金属合金和陶瓷也有其局限性。为了提供可接受的涡轮机寿命和安全性，必须采用一个有效的手段来冷却这些部件。

GridPro生成的燃气涡轮发动机网格图

一种冷却涡轮叶片的方法是在中空的涡轮叶片前端插入冷却孔，通过该冷却孔冷空气可被注入到叶片表面的边界层。这被称为薄膜冷却。因为虽然空气从发动机的压缩机阶段转移而来，但是它必须谨慎地保持平衡，以便在提供必要的冷却来保护涡轮机的同时减少压缩机功率损失。在这种情况下，这种平衡很难取得，而且对设计上的变化进行测试可能又过于困难和昂贵。因此这里可采用计算流体动力学仿真。

计算流体动力学（CFD）可以用来仿真在这类环境下的流动和热传递，但在这种情况下，也有几个挑战需要克服。燃气涡轮机的内部均包含着复杂的几何结构（多重周期涡轮叶片、叶尖间隙、冷却孔和通道）和物理因素（高速、混合温度和湍流）。像这样复杂的物理因素则要求强大的CFD软件，以及健全的网格生成。在这样的环境中，高质量的共形六面体计算网格被优先考虑，因为它们已被证实能够生成更精确的CFD结果，但像这样复杂的几何结构会使生成网格成为一项耗时的任务。

NASA Glenn研究中心和剑桥大学Whittle实验室等的顶级燃气涡轮工程师和研究员们选择GridPro来生成像这样的复杂几何体的网格。NASA Glenn研究中心的Vijay Garg用Glenn-HT的CFD和传热软件对AlliedSignal的转子叶片上的172个圆柱形膜冷却孔进行数值仿真，其中就用GridPro生成了分块的六面体网格。别的六面体网格生成软件生成这种错综复杂的网格的灵活性不够，几何体改变时网格的质量和调整能力也难以保证。

GridPro基于拓扑的网格生成方式适应了相同形状的几何体尺寸变化时网格生成的需要，在此系统中，只需极少的用户操作就可以修改叶片的几何尺寸、冷却孔的位置、角度和形状，而网格自动重新生成。另外，GridPro还提供了很灵活的基于组件的方式来装配孔的拓扑。用户只需生成一个孔的网格，再利用GridPro的组件特征就可以自动装配好多个孔。在Vijay Garg的算例中，他只创建了一个孔的网格，然后就连接上了172个孔。在GridPro的帮助下，他计算了这个复杂的涡轮的多种传热系数，这是涡轮叶片膜冷却完整CFD分析早期的应用之一。

目前，James Heidmann以及NASA Glenn研究中心的其他人员正继续使用GridPro进行涡轮的研发，GridPro也正成为这类应用中更强大的工具。只需给定孔所在的表面，专门的孔拓扑特征就会自动为多个孔创建拓扑。为复杂几何体创建高质量的六面体网格需要GroPro的拓扑系统那样灵活的网格生成途径，配合使用独有的动态边界适应技术，GridPro可以用高质量的网格帮助解决最复杂的网格生成问题。

更多NASA Glenn研究中心有关涡轮研究的信息，请见列出的参考文献或访问他们的网站。

所有图片均经NASA Glenn研究中心授权

原文链接:http://www.gridpro.com/industries/107/170

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