叶轮行波振动下的气动阻尼计算

为展开运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动模拟程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和径向叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以半开式叶轮为对象,展开其在行波振动条件下气动阻尼的计算分析。结果表明,叶轮在前、后行波振动下的气动阻尼均为正,后行波振动引起的气动推力和气动阻尼较大,叶轮表面的平均气动功率密度呈现循环对称的分布特征。     

气流激励下叶片振动响应分析方法

为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法,针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型,计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应,振动应力达到100 MPa。      

亚声速叶片与跨声速叶片的气动阻尼比较

为了研究叶轮机中叶片与流场流固耦合作用情况下的气动阻尼,分别以亚声速和跨声速转子叶片为例计算气动阻尼。根据对非定常气动力的分析,提出了一种与结构等效粘滞阻尼比对应的模态气动等效粘滞阻尼比的定义。采用弱耦合分域求解的算法,在线性范围内,计算并比较了跨声速叶片和亚声速叶片模态和振幅对模态气动阻尼比的影响,根据分布气动阻尼比研究压缩波对模态气动阻尼比的影响。研究结果表明这两类叶片的气动阻尼特性基本一致,所提参数对两类叶片的气动阻尼的影响基本相同。     

叶栅流场中的气动阻尼研究

从气动阻尼产生的机理出发,建立合理的气动阻尼模型;利用动网格技术,结合等效模态气动阻尼比的计算式,以Rotor37跨声叶栅为例,用弱耦合方法数值计算得到一弯、一扭与弯扭耦合模态的气动阻尼比,并考虑流场压力水平及叶片振幅对气动阻尼的影响.计算结果表明,在保证进出口压比不变的情况下,气动阻尼与压力成线性关系;在小振幅下,气动阻尼基本与叶片振幅无关.      

民用发动机附件风扇叶轮疲劳寿命数值分析

叶轮疲劳寿命是影响风扇寿命的关键因素,鉴于风扇叶轮低循环疲劳试验周期长、成本高,在叶轮结构前期设计时,对某型叶轮低循环疲劳寿命进行数值分析,根据仿真分析结果初步预估叶轮寿命,给后期的叶轮疲劳寿命试验提供一定参考依据。仿真主要通过对风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态进行分析,得出风扇流场和结构气动载荷下分布云图、叶轮离心、气动、离心气动耦合载荷下应力云图及叶轮前六阶模态云图。结果表明：离心叶轮工作时受到主要载荷为高速旋转时离心载荷,气动载荷对叶轮结构的影响相对较小;在离心气动载荷耦合的情况下,叶轮在19 955 r/min工作转速下的vonMises等效应力及最大应力为21.25 MPa,远小于叶轮结构材料2A70 T6屈服强度204 MPa和疲劳强度102.6 MPa,评估出叶轮结构在整个寿命期内不会发生屈服失效、疲劳失效,能够满足60 000次低周循环疲劳寿命的要求。在静态分析基础上探讨了不同转速下叶轮的动态特性,并绘制叶轮模态特性随转速变化的Campbell图,给出共振风险点,为后续综合考虑动态、静态特性对叶轮疲劳寿命影响奠定基础。     

压气机转子叶片颤振边界的预测方法

通过发展的基于能量法的颤振数值预测方法得到了压气机转子叶片的颤振边界.将计算结构动力学(CSD)分析得到的叶片表面节点位移插值到耦合面的流体网格点上,并将设计的多层动网格技术应用于计算流体动力学(CFD)方法,实现叶栅振荡作用下的非定常分析,得到叶片表面的非定常气动功以及模态气动阻尼比.以某第一级压气机转子叶片为例,对...     

航空发动机叶片颤振机理探究

航空燃气涡轮发动机中,由颤振引发的叶片疲劳失效是导致发动机机械故障的主要原因之一。为了研究叶片颤振这一非定常气动现象,在能量法的基础上采用弱耦合的计算方法,模拟了发动机风扇叶片在不同转速和不同出口反压条件下的振动,得到了叶片的颤振边界。其中流场与叶片建模用到三维线性插值法转化振动位移,流场动网格建模用到了多层动网格技术。计算表明,叶片表面气动功的分布与叶栅内的激波分布有很大的关系,激波在叶栅通道中的振荡是引起叶片颤振的原因之一。激波在叶栅中前后振荡,使得叶片表面上单位面积做正功的区域发生变化。做正功的区域扩大时,叶片表面气动功绝对值减小,从而气动阻尼比减小,更靠近颤振边界。     

转子叶片气弹稳定性与强迫响应分析

针对由叶轮机械转子叶片流致振动引起的叶片高循环疲劳失效的突出问题,采用数值模拟方法对叶片流致振动特性进 行预测分析。常见的流致振动问题包括气弹稳定性和强迫响应,分别以压气机和高压涡轮转子叶片为例给出了气弹稳定性和强 迫振动响应的分析方法及其流程。对于压气机叶片,采用能量法和特征值法进行了气弹稳定性计算。结果表明：气弹稳定性结果 相互吻合,在高阶模态下的气动阻尼比在低阶模态下的更小,根据振型特征确定危险点位于叶尖近前缘和近尾缘部位,在该部位 可能导致叶片掉角;对于高压涡轮叶片,分析了其强迫振动响应特征。结果表明：叶片非定常气动激励主要来源于上游导叶,在设 计状态下其频率距离转子叶片第5阶模态频率较近,并对危险模态阶次的共振应力进行分析,在0.14%阻尼下振动应力最大可达 134 MPa。     

压气机叶片气动阻尼的改善设计

针对气动阻尼在强迫响应分析中的应用现状,提出了一种在叶型基本确定的条件下进一步设计气动阻尼的方法.该方法只对叶片基元级的积叠轴做微小的调整,这种调整对叶栅流场气动特性和固有频率的影响很小,可以忽略不计.研究了积叠轴调整对叶片气动阻尼的影响,得出在不需要大量流场计算的条件下,即可判断如何调整叶片积叠轴以达到增加气动阻尼目的的结论.在分析中用振型相似度衡量叶片模态振型与气动阻尼比的关系,相似度越小气动阻尼比越大.      

任意运动变形边界流场测量PIV算法的研究：薄膜涡激振动

提出了一种精确测量任意运动变形边界流场的粒子图像速度场PIV算法,能智能识别强流固耦合问题流场测量中任意运动变形的边界信息,然后生成贴体自适应的图像互相关计算窗口,计算获取运动变形边界附近的速度场数据。这一算法可大大提高任意运动边界附近流场的测量精度,为流固耦合问题的理论分析和数值计算验证提供可靠的高质量实验数据。针对数字合成给定流场的粒子图像序列,采用所发展的PIV算法对粒子图像区域中的运动变形边界进行了精确识别,高质量地复现了原始流场信息。最后,对低速闭式循环水洞中的钝体尾流柔性薄膜涡激振动现象进行了PIV实验测量,获得了柔性薄膜大变形运动状态下的瞬态流场特征。     

基于数值优化方法的离心压气机工作轮气动设计

将三维N-S方程流场计算、网格自动生成、Hicks-Henne函数叶型和子午面流道参数化与单纯形法寻优相结合,研究构成离心压气机工作轮自动优化设计软件。采用本文方法进行气动优化设计,流场计算要求有较高精度。对Krain工作轮的计算并与实验结果比较表明,流场计算程序具有令人满意的计算精度。在目标函数设定时,兼顾非设计点性能达到在设计转速下整个流量范围内的气动性能优化。采用所研制软件,对两个离心压气机工作轮进行优化设计,优化工作轮达到在压比近似不变的前提下效率有效提高。     

Coupled simulation of flow-structure interaction in turbomachinery

The aeroelastic behaviour of vibrating blade assemblies is usually investigated in the frequency domain where the determination of aeroelastic stability boundaries is separated from the computation of linearized unsteady aerodynamic forces. However, nonlinear fluid-structure interaction caused by oscillating shocks or strong flow separation may significantly influence the aerodynamic damping and hence effect a shift of stability boundaries. In order to investigate such aeroelastic phenomena, the governing equations of structural and fluid motion have to be simultaneously integrated in time.In this paper a technique is presented which analyses the flutter behaviour of turbomachinery bladings in the time domain. The structural part of the governing aeroelastic equations is time-integrated according to the algorithm of Newmark, while the unsteady airloads are computed at every time step by a Navier–Stokes code. The link between the two time integrations is an automatic grid generation in which the used mesh is dynamically deformed so that it conforms with the deflected blades at every time step.The computed time series of the aeroelastic simulation of an assembly of highly loaded compressor blades vibrating freely in transonic flow are presented. The energy transfer between fluid and structure is here dominated by vibrating shocks and shock-boundary layer interaction. It is investigated if the predicted aeroelastic stability boundaries differ from those of a linearised method.     

长中短叶片离心叶轮内部流动的数值模拟

1引言随着宇航技术的飞速发展,液体火箭发动机的燃料剂和氧化剂离心泵向高压、高速、高效化发展。为了减轻泵的重量,使结构紧凑,提高泵的功率密度,离心泵的单级扬程和转速要高,因此其比转速较低。但比转速较低的离心泵效率也较低,而且很容易出现小流量工作不稳定性。因此设计具     

高比转速斜流叶轮流场分析

以两个高负荷、高比转速离心叶轮与斜流叶轮为例,采用数值模拟的方法,在级环境下分析了两种叶轮的总体性能,以及内部流动机理.计算结果表明在高比转速情况下,斜流叶轮有利于减弱叶尖泄漏损失,改善叶轮出口均匀性,提高叶轮效率和级效率.      

微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型

通过理论分析结合数值模拟,开展了针对微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型的研究.结合微尺度旋转机械低雷诺数和高马赫数的工作条件,建立了考虑可压缩性和黏性损失的间隙泄漏流动堵塞模型.通过数值模拟分析了微尺度间隙泄漏流动特征及黏性在其中的作用,判定黏性作用对间隙泄漏流动的驱动作用不可忽略,黏性作用与压差作用对间隙泄漏流动的驱动作用效果相当.同时,黏性作用还会导致间隙泄漏流动的初始堵塞增大.采用某微尺度离心叶轮对间隙泄漏流动堵塞模型进行了验证,从数值计算结果中提取气动堵塞结果并与模型预测结果进行对比,表明改进的间隙泄漏流动堵塞模型能更准确地对间隙泄漏流动堵塞进行评估,在微尺度条件下具备更好的适用性.      

三维环境下离心/斜流压气机二维叶型优化设计

考虑离心/斜流压气机转子叶片通道内流动的强三维性,提出在三维环境下进行二维叶型优化设计.通过对能量方程中黏性耗散项改进,解决了Denton黏性体积力方法模拟离心/斜流叶轮三维流场效率偏高的不足.将改进流场计算模块与并行遗传算法寻优模块相结合,构成离心/斜流压气机二维叶型优化设计软件.采用所研制的软件,分别对离心叶轮和斜流叶轮叶尖处叶型进行优化设计.优化叶片基本达到目标流量和压比,在整个工作范围内效率都提高明显:在设计点离心叶轮效率由0.938提高到0.947,斜流叶轮效率由0.899提高到0.918.      

微小流量离心压缩机叶轮流场性能模拟计算

设计了一种空气工质低压比的微小流量、高转速离心压缩机三元叶轮,并对其流场特性进行数值模拟.研究表明:该类叶轮出口与进口区域面积比小于1;采用高转速可以改善该类叶轮的效率;叶轮的最佳叶片数较源于大流量低转速离心压缩机理论的叶片数经验公式计算值要小;叶轮出口角一般在60°以上;叶尖顶部间隙增大时,叶轮总压比及效率显著下降.研究方法和结果为飞机高性能空气循环制冷系统和蒸汽压缩制冷系统中微小流量高转速离心压缩机的工程化设计提供了有益的参考.