叶轮机械失速颤振的全三维数值分析方法

给出了建立在全三维N-S方程求解基础上的叶轮机械失速颤振分析的数值方法。包括用定常N-S方程求解三维粘性失速流和用三维N-S振幅方程求解三维粘性失速振荡流。为了验证方法的准确性, 用压气机环形叶栅的失速流实验和振荡叶片振荡流场的实验作了对比, 同时应用本方法分析了某30万千瓦汽轮机末级叶片的失速颤振。      

基于CFD/CSD耦合的叶轮机叶片失速颤振计算

为了研究叶轮机叶片的失速颤振特性,发展了一种计算流体力学与计算结构力学(CFD/CSD)时域耦合方法。该方法通过每一物理时刻CFD和CSD的循环迭代实现了耦合计算。在CFD分析中,采用鲁棒性较好的空间离散格式AUSM+-UP,并基于延迟脱体涡模型(DDES)模拟了带分离流动。在结构分析中,通过模态法构建了旋转叶片动力学方程并运用杂交多步方法进行求解。以孤立转子Rotor37为例,计算了不同工况下流场总体与细节参数,与实验结果的对比验证了CFD算法的精度。对某转子叶片进行了颤振特性研究,计算所得的广义位移时间响应曲线表明该叶片在近失速工况下会发生失速颤振,其表现形式为一阶弯曲模态发散且各阶模态之间不耦合。分析表明,流场不稳定和非定常效应是引起失速颤振的关键因素,同时折合频率的降低也会导致原本气动弹性稳定的叶片发生失速颤振。     

小展弦比压气机转子叶片颤振研究

针对小展弦比压气机转子叶片特点,在能量法计算基础上提出了两种颤振评判方法,即首先利用结构动力学分析结果对叶片频率分离度、振型和共振进行分析,判断某压气机小展弦比转子叶片存在高阶耦合颤振的可能;然后将结构动力学得到的振动位移插值到气动网格上,进行三维非定常黏性流场计算,得到非定常气动功,判断叶片是否存在失速颤振的可能.最后综合利用两部分分析结果和试验及断口分析情况,综合给出该小展弦比压气机叶片因失速颤振和耦合颤振共同作用,导致叶片在短时间内出现了裂纹.      

某型风扇叶片颤振研究

介绍了采用可考虑变叶片间相角的变形激盘法对某型风扇叶片的颤振性能进行的研究结果，计算表明，转子在大的来流攻角或高的相对马赫数下，叶片有可能发生失速颤振，在零度攻角附近可能出现堵塞颤振。叶片气动弹性稳定较差的叶片主要是那些叶片间相角为正的叶片。该计算结果为某型风扇叶片的设计提供了有益的参考。     

蒸汽轮机叶片失速颤振的预测

本文移植了轴流压气机叶片失速颤振预测方法中一种半经验方法——变形激盘法,从自激振动的角度分析了蒸汽轮机末级工作叶片在某些工况下动应力突增的故障。本文中计算与实测值间的定性一致表明:末级工作叶片在低负荷状态的动应力突增是由于大负攻角失速颤振所引起的。本文对设计工况附近的动应力增加提出了一种解释,在设计工况叶片可能存在一种目前尚未分类过的“高负荷非失速颤振”。      

预估蒸汽轮机叶片颤振的三维方法

发展了一种可考虑叶片间相角变化的三维失速颤振预测方法。二维计算的最小气动阻尼比三维值低, 说明取特征截面的二维方法偏于保守, 且特征截面的取法具有任意性, 故二维方法仅能作为叶片颤振初步预估之用。为提高颤振预估的精度, 需用三维计算对二维计算结果进行校核。三维和二维计算均表明叶片间相角对蒸汽轮机叶片气弹稳定性影响很大, 叶片颤振预测必须考虑这一关键因素的影响。      

叶轮机叶片颤振系列转子的设计与流体诱发振动的实验研究

 本文介绍了叶轮机“叶片颤振系列转子”的设计情况和试验过程中出现的多种流体诱发振动现象。介绍了测试方法,并着重对叶片失速颤振现象进行了分析。     

叶片排间耦合对跨声速压气机转子颤振特性影响研究

高推重比、强紧凑性的设计要求迫使压气机相邻叶片排之间的距离进一步减小，在加剧排间非定常扰动的同时，势必对叶片的气动弹性稳定性产生影响。本文针对1.5级跨声速压气机，基于谐波平衡非定常求解技术，结合单向耦合的能量法，开展排间耦合对1.5级跨声速压气机叶片颤振特性影响研究。通过对比分析非定常/定常混合模型的颤振预测结果可以发现：排间压力波反射对振荡叶排压力脉动特性的影响是造成转子颤振特性差异的主要原因。上、下游静叶对转子气动弹性稳定性恶化程度并不相同，且不符合线性叠加原理。对于近失速工况，非定常压力波反射导致转子叶片气动阻尼系数减小75%，定常/非定常混合预测方法可能导致颤振特性预估过于乐观。     

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。     

风扇/压气机叶型厚度对颤振特性的影响

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了三维振荡叶栅非定常黏性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。针对三维直叶片和风扇转子叶片,通过调整叶片的相对厚度,研究了叶片厚度变化对风扇/压气机颤振特性的影响。此外,通过对振荡叶栅非定常流场结构的研究,发现了叶片吸力面气流分离与叶片振动之间的耦合关系。本文的研究在风扇/压气机设计中,可用于评估最大相对厚度等叶型结构设计参数对气弹稳定性的影响,对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

惯性参数对飞翼体自由度颤振特性的影响规律研究

飞翼飞行器刚体短周期模态频率较高,易与一阶弹性弯曲模态耦合发生一种特殊的颤振——体自由度颤振。采用风洞实验与频域计算相结合的手段,开展了惯性参数(俯仰转动惯量、质心位置)对飞翼飞行器体自由度颤振特性(颤振速度和颤振频率)的影响规律研究。实验和计算结果表明:俯仰惯量和质心位置会明显改变体自由度颤振频率与速度,颤振实验与计算结果一致性较好。俯仰惯量增加,颤振频率降低,沉浮约束时颤振速度基本不变,沉浮自由时颤振速度增大;质心位置前移,俯仰模态频率与阻尼同时增加,俯仰与一阶弹性弯曲模态耦合更容易,但发散模态分支的阻尼也更大,导致颤振速度先降低后增大,颤振频率单调增加。     

飞行控制律对体自由度颤振特性影响试验

飞翼飞机易发生刚体短周期模态与机翼低阶弯曲模态耦合所致的体自由度颤振。飞行控制系统对飞机的短周期模态特性影响很大,因此考虑飞行控制系统的闭环体自由度颤振特性值得进一步研究。针对自主设计的颤振模型开发了相应的俯仰姿态保持控制律,综合运用风洞试验和仿真计算开展了相关研究,获得了不同刚体自由边界条件下的开环/闭环体自由度颤振特性,研究了闭环增益对体自由度颤振特性的影响规律,简要分析了影响机理。试验和仿真计算结果共同表明：俯仰姿态保持控制律明显地改变了俯仰模态阻尼的原有走势,闭环后的体自由度颤振特性变化明显。以开环颤振速度为基准,采用较小的比例回路增益K_P或较大的微分回路增益K_D,飞行控制律能增加飞行器俯仰阻尼,提高体自由度颤振速度,反之飞行控制律将导致颤振速度降低。就本文控制律而言,当K_P<0.07或K_D>0.2时俯仰姿态保持控制律能起到抑制体自由度颤振的作用。     

机身刚度对双体飞机颤振的影响规律分析

针对某双体飞机颤振特性复杂的问题,本文采用片条理论修正后的偶极子网格方法,建立了双体飞机非定常气动力模型,同时基于地面振动试验建立了不同机身刚度双体飞机等效梁模型。通过有限元方法,分析了机身刚度对双体飞机结构动力学的影响,同时通过求解耦合得到的频域方程,探究了机身刚度对双体飞机颤振的影响规律。研究结果表明,机身截面垂向刚度对机身一阶垂直对称弯曲模态、机身一阶垂直反对称弯曲模态与平尾滚转模态频率影响较大。机身截面垂向刚度降低到原设计刚度67%时,机身反对称弯曲模态对平尾扭转效应增强,机身一阶垂直反对称弯曲模态、平尾滚转模态与平尾一阶垂直反对称弯曲模态耦合,双体飞机在269.34 m/s时发生颤振,颤振频率为37.2 Hz。     

一种飞机操纵面驼峰型颤振随高度变化特性研究

飞机操纵面旋转和安定面弯曲模态频率较近时易耦合形成一种速度阻尼特性随高度显著变化的驼峰型颤振。某飞机垂尾颤振分析表明超过一定高度后驼峰型颤振分支阻尼峰值会超过结构阻尼系数,成为临界颤振型,并且随飞行高度增加阻尼峰值迅速增加。针对上述情况采用了三种方案抑制驼峰型颤振,算例表明降低30%安定面弯曲刚度,增加25%结构质量,操纵面旋转频率增加60%以上均能有效抑制高空驼峰型颤振。     

大展弦比复合材料机翼失速颤振分析

研究了大展弦比复合材料机翼在较大迎角状态下的失速颤振特性,探讨了结构几何非线性和由复合材料剪裁产生的刚度耦合效果对机翼失速颤振特性的影响.首先,将复合材料机翼建模为转角和位移均可为有限值的非线性薄壁单闭室截面Euler梁,并在综合考虑结构几何非线性、气动非线性和材料各向异性对机翼运动状态的影响的基础上,建立机翼的运动微分方程.然后,使用小扰动分析的方法得到机翼在平衡位置附近的振动方程,采用ONERA半经验的非定常失速气动力模型,获得机翼在平衡位置附近的非线性失速颤振分析方程.最后,利用谐波平衡法求解并判定机翼颤振稳定性.通过算例,首先验证了算法的正确性,然后研究了几何非线性对失速颤振的影响,并讨论不同的复合材料铺层方式导致机翼失速特性的改变.     

轴流压气机气动弹性失稳的实验研究

本文介绍了在跨音压气机试验台上对BF-1系列转子开展气动弹性失稳的实验研究工作。文中提出了实验模型的零阻尼设计原则,描述了失速颤振发生的过程。分析了失速颤振发作时的气动声学现象——一种特殊的啸声。此外还给出了两种叶尖间隙和两种叶型对失速颤振影响的实验结果。最后对经验预测方法和实验结果作了对比,符合情况较好。      

Stall flutter prediction based on multi-layer GRU neural network

The modeling of dynamic stall aerodynamics is essential to stall flutter, due to the flow separation in a large-amplitude pitching oscillation process. A newly neural network based Reduced Order Model (ROM) framework for predicting the aerodynamic forces of an airfoil undergoing large-amplitude pitching oscillation at various velocities is presented in this work. First, the dynamic stall aerodynamics is calculated by solving RANS equations and the transitional SST-γ model. Afterwards, the stall flutter bifurcation behavior is calculated by the above CFD solver coupled with structural dynamic equation. The critical flutter speed and limit-cycle oscillation amplitudes are consistent with those obtained by experiments. A newly multi-layer Gated Recurrent Unit (GRU) neural network based ROM is constructed to accelerate the calculation of aerodynamic forces. The training and validation process are carried out upon the unsteady aerodynamic data obtained by the proposed CFD method. The well-trained ROM is then coupled with the structure equation at a specific velocity, the Limit-Cycle Oscillation (LCO) of stall flutter under this flow condition is predicted precisely and more quickly. In order to predict both the critical flutter velocity and LCO amplitudes after bifurcation at different velocities, a new ROM with GRU neural network considering the variation of flow velocities is developed. The stall flutter results predicted by ROM agree well with the CFD ones at different velocities. Finally, a brief sensitivity analysis of two structural parameters of ROM is carried out. It infers the potential of the presented modeling method to depict the nonlinearity of dynamic stall and stall flutter phenomenon.     

跨音叶栅非定流场数值模拟

本文将二维平面振荡叶栅的非定常流场分解为定常平均流场和以简谐振荡为运动规律的非定常小扰动的叠加 ,分别求解定常的 N- S方程和非定常线化 N- S方程 ,能对不同分离形式进行数值模拟 ,有效地处理分离流动。计算结果表明 ,非定常分离、粘性效应和跨音激波对叶栅气动弹性稳定性有极其重要的影响 ,并且说明分离区内的脉动压力对叶栅振荡的响应只比分离区外低一个数量级 ,因而在处理非定常分离流动时不能简单地将分离区内的压力脉动视为零。     

低速全模颤振试验悬挂支撑系统

为适应日益增多的低速风洞全模颤振试验的需要,发展颤振试验技术,在气动中心低速所3．2m 风洞建立了一套通用的悬挂支撑系统。该悬挂系统分为垂直和水平两部分,水平悬挂系统由水平钢索装置和张紧机构组成。系统可提供模型沉浮、俯仰、横侧向、偏航和滚转5个方向的自由度;可单独改变模型某一方向的自由度而不影响其它方向的自由度;可确保模型上下、左右、前后位置都处于试验段正中心;可方便地调整模型的迎角和滚转角。对采用该悬挂系统的颤振模型,文中提供了技术要求和参数选择方法。采用同一颤振模型在3．2m 风洞与TsAGI的T-103风洞进行了对比试验,得到的颤振临界速度、频率基本一致,证明该套悬挂系统设计合理,可以应用于低速全模颤振试验。