旋转机械：利用STAR CCM+进行涡轮冷却叶片气热耦合计算

对于燃气涡轮发动机而言，涡轮燃气进口温度决定着发动机的功率和效率。目前，先进的燃气涡轮发动机涡轮燃气进口温度已经达到1800~2050K，远远超过了材料的可承受温度，所以必须采用有效的冷却方式来降低叶片温度。

本文将演示利用中文版STAR CCM+软件进行涡轮冷却叶片气热耦合计算的工作过程，计算模型源自STAR CCM Online公众号的文章：涡轮叶片冷却。叶片为静止导叶，内部带有两弯三通道的冷却冷却结构，前缘通道布置了扰流肋，尾缘通道有圆形的扰流柱，冷气仅从上缘板的排出，冷气与燃气不掺混。计算模型为分为三个域，分别是燃气、冷气和固体叶片。叶片和燃气域两侧均为旋转周期面。

1.模型导入

新建模拟—选择并行—逻辑处理器数量（16核）—文件—导入—导入面网格文件“blade.dbs/coolflow.dbs /hotflow.dbs”

2.几何处理

• 压印

为创建交界面共节点网格，必须对不同实体进行压印操作。操作过程：几何—操作—新建—布尔运算—压印—分别压印“blade/coolflow”和“blade/hot.flow”。

• 创建周期

计算模型为单个叶片，两侧为周期性边界，需在几何操作中创建周期，以便形成共节点网格（与压印类似）。操作过程：按Ctrl多选blade表面中的Per1/Per2，右键创建周期。在接触—周期转换中设定成旋转，燃气周期域设置方法相同。

3.区域及边界条件

将几何中的零部件分配给区域，并自动创建接触模式界面。

• 燃气域

  
  

a. 流体入口速度边界[350, 0, -99]m/s

b. 流体入口温度边界：使用表（r）导入温度场。（首先在工具—表中，将csv文件导入）

c. 流体压力出口：0 Pa

• 冷气域

a. 冷却空气入口：速度10.5m/s,温度354K

b. 冷却空气压力出口：0 Pa

4.网格生成

不同于传统的四面体、六面体网格生成器， S tar ccm+具有 独特 的高效 多面 体网格生成器。多面体网格“面少，节点多，精度高， 计算速度快”等优点。 特别 对于复杂的 涡 轮内 部冷却结构而言， 网格 具有很好的适应性 。因此本文对模型生成多面体网格进行计算， 操作过程如下： 几何— 操作 —新建—网格—自动网格—零部件同时选择三个区域—表面重构—自动表面修复—。默认控制中，基础尺寸设置为3mm，在自定义控制中创建面控制，选择除流固交界面外的其他面，禁用棱柱层网格。

检查网格质量，无负体积网格，网格质量较好。 可以创建 衍生零部件—阈值 ， 对 网格细节进行查看 。

5.创建连续体

• 气体连续体

• 固体连续体

  

固体材料属性：

6.计算结果

• 温度场

• 压力分布

• 中截面温度
  

• 冷气流线
  

文章来源：涡轮叶片冷却