本文翻譯轉載于：Cadence Blog

作者：Veena Parthan

提升渦輪性能對實現渦輪機械更高的效率和可靠性是至關重要的。二次流是顯著影響渦輪性能的關鍵因素，在軸流式渦輪中，它可造成高達 50% 的總氣動損失。對于旨在優化渦輪設計和功能的工程師而言，通過先進的仿真技術理解并減輕這些損失至關重要。本文將闡述亞琛軸流式渦輪中二次流背后的復雜物理機制，以及如何利用 Cadence 的 Fidelity CFD 軟件來減輕這些影響。

理解二次流

二次流指的是與主流方向垂直的流體運動，這種流動模式在各類渦輪機械中都存在，復雜程度各不相同。在軸流式渦輪中，葉片的幾何形狀和曲率會產生壓力梯度，進而形成漩渦或循環流動模式。這些二次流會擾亂理想流場，增加能量耗散，降低渦輪的整體效率。

二次流的動力學特性復雜且本質上是非穩態的，它源于流場內復雜的三維（3D）互相作用。因此，準確模擬這些流動對工程師和研究人員來說是一項重大挑戰。像Cadence 的 Fidelity 平臺這類先進的計算工具，有助于開展深入分析和問題整改。

二次流動力學模擬研究

在本案例中，我們聚焦于 1.5 級亞琛軸流式渦輪，借助 Fidelity Fine Turbo 這一端到端渦輪機械建模解決方案開展研究。該軟件涵蓋了從三維網絡劃分到高級后處理的所有環節，其強大的功能可對二次流現象進行全面探討，為工程師提供提升渦輪性能所需的工具。

1.5 級亞琛渦輪示意圖（附葉片通道放大視圖）

亞琛渦輪的設計采用了無罩轉子，配備圓柱形、無扭曲的翼型葉片。這種結構至關重要，因為葉片的曲率會產生壓差，使得葉片的壓力面（PS）形成高壓，吸力面（SS）形成低壓。這種壓差推動流體從壓力面流向吸力面，從而形成偏離主流軸向的橫向二次流。

渦輪葉片通道內二次流結構的可視化（Khadim 等人，2017）

要理解二次流形成的機制，需先了解邊界層效應。低動量流體在壁面附近積聚，隨后被壓力驅動的橫向流卷走。這一過程會產生二次渦系，包括葉片前緣附近的馬蹄渦（HSVs）。這些渦在滯止點處分裂為兩股，最終促成通道渦（PV）的形成，并誘發壁面渦。此外，由于邊界層與橫流的相互作用，在葉片與壁面的交角處還會產生角渦。

借助 Fidelity CFD 平臺進行仿真設置

要解決二次流難題，第一步是搭建一個可靠的仿真環境。Fidelity CFD 具備高保真的網格生成功能，其自動化網格生成技術能將復雜幾何結構轉化為適用于 CFD 分析的高質量網格。它能靈活處理非結構化和結構化多塊網格，從而精準捕捉流動動力學特性。在本案例中，為每一排的單個通道生成了結構化多塊網格，用戶只需極少的輸入操作。

仿真從幾何定義開始，這基于子午面設計參數。這些參數涵蓋葉片剖面、輪轂和罩殼輪廓，決定了渦輪內整體的流動特性。接下來，子午流道確定了工作流體（本案例中為理想空氣）的流動軌跡，引導其從渦輪入口流向出口。

首先在葉間平面沿子午流道生成二維網格，捕捉葉片幾何形狀和流動通道的關鍵細節，這構成了構建三維體網格的基礎。高分辨率網格在流動動力學復雜的區域至關重要，尤其是葉片表面附近，那里存在復雜的相互作用。對于亞琛渦輪，創建了約 160 萬個網格單元，使用 8 個 CPU 核心時，能在不到 30 秒的時間內高效完成處理。

葉片展向（a）1%、（b）5%、（c）25% 處的速度大小云圖

優化網格設置以提升分辨率

渦輪內的不同排需要定制化的網格設置。第 2 排的轉速為 3,500 轉/分鐘，需要精細的網格以確保準確解析二次流和潛在流動分離等關鍵流動現象。相比之下，第 1 排和第 3 排的氣動流動更穩定，可采用較粗的網格，在不犧牲精度的前提下優化計算資源。對每個區域各自具體的運行特性的細致關注，是在模型中準確反映真實工況的關鍵。

減輕二次流影響：推進路徑

通過使用先進的 CFD 工具，工程師可以深入分析二次流的相互作用及其對渦輪效率的影響。理解這些二次流背后的物理機制，能闡明減輕其影響的方法途徑，并為優化渦輪設計以提升性能提供洞見。減輕二次流影響可涉及設計變更，例如修改葉片剖面以最小化壓差，或采用先進的流動控制技術。

工程師還可探索調整葉片布局或采用自適應葉片設計概念，進一步降低能量損失。將 CFD 分析與設計和優化周期相結合，形成了主動提升性能的方法。通過模擬潛在的設計變化及其對二次流的影響，工程師可以做出明智決策，從而打造更高效的渦輪系統。

借助 Fidelity CFD 等先進的 CFD 平臺，工程師能更好地分析復雜流體動力學并減輕損失。隨著行業不斷發展，駕馭這些技術的能力將在塑造渦輪機械設計和效率的未來中發揮關鍵作用。利用這些進步，最終將通過降低二次流損失來提升性能，推動下一代高性能渦輪的發展。