压气机叶片流固耦合数值计算

采用流固耦合方法对压气机单排跨声叶片进行气动弹性数值模拟.首先对压气机流场进行三维定常求解,并与试验结果进行比对.在定常流场分析的基础上,进行流固耦合计算,采用非定常方法分别求解流体域Navier-Stokes(N-S)方程和固体域结构动力学方程.耦合过程中,流体域和固体域在物理边界上进行能量传递.计算结果表明:所采用的流固耦合数值方法用于判断叶轮机械叶片气弹稳定性是可行的,可以得到叶片的瞬态响应,从而判断叶片是否发生颤振.      

基于CFD/CSD耦合的跨声速非线性气动弹性研究

跨声速气动弹性数值数值模拟中,流场非线性特征明显,传统线化理论不再适用,需要采用时域方法,计算任意时刻的流场信息,进而得到正确的气动弹性现象。为AVICFD-X软件开发了气动弹性模块,该模块基于CFD/CSD(计算流体力学/计算结构力学)耦合模拟方法,包含流体、固体求解器以及交界面信息传输程序,在模块中分别求解流体控制方程和固体结果方程,通过界面进行流、固体之间的气动载荷以及运动状态等信息交换。AVICFD-X软件气动弹性模块数值模拟强迫振荡、静气弹、颤振等问题,验证气动弹性模块是否正确。数值模拟结果满足预期效果,与实验结果相吻合,充分说明了AVICFD-X软件气动弹性模块适用于跨声速非线性气动弹性研究。     

基于非结构网格的气动弹性数值方法研究

基于非结构网格和网格变形技术,研究了耦合求解流体和弹性结构体互相作用问题的数值方法.气动弹性模型采用了耦合求解可压缩雷诺平均的Navier-Stokes方程和线性结构动力学方程的方法.为了能处理在复杂几何域内的问题,采用了基于混合单元的非结构网格有限体积方法.开发的方法在二维翼型简谐振动进行了验证并应用于AGARD 445.6翼型颤振边界的数值模拟.      

大展弦比机翼的静气动弹性分析

大型飞机普遍采用的大展弦比机翼,其气动弹性问题显得尤为突出。通过求解基于三维结构网格的Euler/边界层耦合方程组,采用结构模态分析法,对HIRENASD机翼的静气动弹性进行了数值模拟。计算得到了机翼静弹变形前和变形后的压力分布以及不同攻角下翼尖变形值。计算结果和实验值对比分析,验证了Euler/边界层耦合方程组求解器对静气动弹性数值模拟的准确性,表明所发展的数值模拟方法可以用于大展弦比机翼静气动特性的分析研究。     

错频对叶片的气动弹性稳定性影响

采用求解动网格下的非定常可压缩Navier-Stokes方程模拟了振荡叶片下的气动弹性问题,研究了叶片的频率错频对叶片气动弹性稳定性的影响.通过数值模拟平面叶栅的气动弹性第10标准算例,验证了气动弹性的数值模拟方法,计算了不同叶片间相位角和折合频率下的气动阻尼系数,研究了叶片振动频率改变对叶片气动弹性稳定性的影响.计算结果说明:频率错频是提高气动弹性稳定性的有效方法,其主要作用是减小叶片间振动的耦合效应和叶片间相位角的影响,并且随着错频量增大叶片稳定性增强;通过模拟三维环形叶栅的气动弹性第4标准算例,计算了气动阻尼系数随错频量变化的规律,验证了错频量和气动弹性稳定性增强的规律.      

跨声速风扇的流固耦合的颤振分析(英文)

发展了时间推进的叶片颤振的数值方法,采用了时间推进求解流体和固体相互作用的过程。气动模型是基于求解三维雷诺平均的N-S方程,采用了多块结构化网格的有限体积格式,对流和耗散通量的计算使用了二阶迎风格式和中心格式。在变形的动网格上流体运动的守恒型方程的求解采用双时间步,隐式格式和多重网格方法。叶片振动采用了振型叠加的线性气动弹性模型。该方法在气动弹性标准算例4进行了验证,并用于求解跨音速风扇的颤振问题。     

基于模态耦合方法的机翼颤振数值模拟

针对机翼气动弹性问题,发展了一种流固耦合模拟技术,将固体结构的广义位移表示为结构固有模态的线性组合,求解结构的运动,再与流体进行数据耦合、迭代计算.同时为了确定机翼颤振边界,发展了一种线性插值确定颤振边界方法.采用标准气弹机翼AGARD445.6算例,验证所采用的模态耦合技术和颤振边界确定方法的有效性及工程实用意义.     

基于径向基函数的网格变形及非线性气动弹性时域仿真研究

为开展非线性气动弹性研究,基于非线性结构有限元软件NASTRAN和自主研制的多块结构化计算流体力学(CFD)求解器,开发了一套基于计算流体力学/计算结构动力学(CFD/CSD)耦合求解方法的气动弹性时域仿真程序.该程序采用径向基函数(RBF)交换两套求解器之间的数据并进行网格变形.为提高RBF方法的效率,构造了基于多次插值的空间待插值点精简算法.在多次插值过程中,每次插值的对象为上次插值的误差,并同时限制插值区域,以此实现了空间待插值网格数的精简.数个网格变形的算例表明该方法可支持大变形运动,并且具有较高的计算效率.采用此程序开展了AGARD 445.6机翼颤振计算、大展弦比机翼的静气动弹性计算与切尖三角翼极限环振荡(LCO)现象的动气动弹性仿真,结果揭示了当机翼展弦比较大或者响应幅值较大时,结构非线性对于气动弹性有显著影响.     

基于非定常气动力辨识技术的气动弹性数值模拟

选择离散型输入输出差分模型,运用最小二乘方法进行非定常气动力建模,并将辨识得到的降阶模型用于气动弹性的数值模拟。1个马赫数下的颤振临界点的计算仅需调用一次非定常流场求解器。计算精度保持与非定常欧拉方程计算方法相当的同时计算效率提高了1~2个量级。计算了跨声速具有S型颤振边界的气动弹性标准算例－Isogaiwing和三维气动弹性标模算例AGARD445.6,辨识模型计算边界与非定常Euler方程计算结果吻合。证明非定常气动力辨识技术可以提供高效的高精度的气动弹性分析。     

一般状态方程可压缩多流体流动的PPM方法

采用流体体积分数的混合型多流体数值模型和高精度多介质Piecewise Parabolic Method(PPM)算法模拟一般形式Mie-Grüneisen状态方程的复杂多流体可压缩流动.根据多流体接触界面无振荡原则设计高精度计算格式,采用双波近似和两层迭代算法求解一般状态方程的Riemann问题,利用Strang分裂方法将一维算法直接推广到高维情况,不需要动能校正.二维多流体接触间断平移问题的模拟结果表明本算法在接触间断附近压力和速度没有振荡,界面数值耗散很小,被控制在两到三个网格之内.本文还模拟了二维Riemann问题和激波同多流体交界面的相互作用,算例结果表明本文方法可以有效地处理接触间断、激波等物理问题,且具有耗散小精度高的特点.     

基于遗传算法与近似模型的全局气动优化方法

开发了基于精英保留策略与小生境技术的求解有约束优化问题的改进遗传算法,并用一多峰值有约束函数对其寻优能力进行了测试。为了降低气动优化设计时间,提出了集成实验设计、三维粘性流场求解程序、二次多项式近似模型、改进遗传算法的具有全局寻优能力的三维气动优化设计体系。采用该方法对NASA Rotor37动叶片叶型进行了以绝热效率最大为目标的优化设计,优化后叶片绝热效率提高1.1%。该结果表明了本优化设计体系省时、高效的特点。     

气动变量参数化的压气机转子三维数值优化

采用"试验设计+响应面模型+遗传算法"的优化设计体系,结合压气机设计常用的叶片造型程序和流场模拟软件,搭建了轴流压气机叶片三维优化设计平台,并对某涡喷发动机加零级压气机的零级转子进行了优化.优化目标为极大化转子的设计点绝热效率.约束条件为流量、增压比基本不变.分别以相对气流角和气流脱轨角作为优化自变量,进行了两个算例的优化.即为与现代设计系统相接轨,不同于叶片几何参数优化,取设计中具有物理含义的气动参数作为优化自变量.优化后的绝热效率分别提高了0.82和0.73个百分点.      

基于实验设计和响应面模型的风扇转子气动优化设计

针对跨声速风扇动叶中掠、弯结合叶片基于控制点的B样条曲线对积叠线进行参数化,以掠、弯为设计自由度,应用实验设计、三维粘性流场求解、响应面模型及遗传算法对Rotor 67以近尖峰效率工况点为设计点对风扇转子进行了气动优化设计,得到了前掠与弯向旋转方向的复合设计叶片,其总压比有较明显提高。但由于优化是在单一工况点下进行的,其变工况性能不佳。     

Application of immersed boundary method in turbomachines

Simulating unsteady turbulent flow in turbomachines is still challenging due to the complexity of blade geometry and relative motion between rotor and stator. This study presents an Immersed Boundary Method (IBM) for high-Reynolds turbomachinery internal flows, and shows the advantage of the automatic grid generation techniques and flexible moving boundary treatments. The wall functions are used in the present method to alleviate the wall resolution restriction of turbulence simulation. The Two-Dimensional (2-D) IBM solver, which was previously developed and tested for a low-speed compressor, is further validated for a well-documented Low-Pressure Turbine (LPT) cascade. Both the blade loading and the total pressure losses in the wake are well captured by the present 2-D solver. The complex Three-Dimensional (3-D) effects in turbomachines motivate the further development of an extended 3-D IBM solver by using a curvilinear-coordinate system that facilitates the hub and casing boundary treatment. The good performance of the 3-D solver is demonstrated through comparison with CFX solver solutions for the rotor configuration of Advanced Noise Control Fan (ANCF). Further effects of the grid resolution on capturing the blade wake are discussed. The results indicate that the present 3-D solver is capable of reproducing the evolution of the blade wake with suitable computational grid.     

双级风扇三维粘性非定常流动的数值解

针对一台双级跨音速轴流风扇动静叶片排相互干扰的三维非定常流动,进行了N-S方程的数值求解。首先计算风扇定常流场,以定常流收敛结果为起始场计算非定常流动。计算结果表明,非定常流动对各叶片排进口气流角有较大的影响,其中静叶的变化大于动叶,与定常流结果相比,非定常的瞬态攻角增大的量大于减少的量,最多时增大近10°左右。静子叶片受到的非定常气动力变化幅度也大于转子叶片,叶片排所处的轴向位置不同,非定常流动的影响会有较大的差别。      

基于遗传算法与响应面模型的压气机叶片气动优化设计

1引言由于叶轮机械内部复杂的三维流动,各种波涡结构的广泛存在,吸引了众多学者对其进行了积极的探索与研究。CFD作为可靠省时的设计手段之一,在叶轮机械气动设计的过程中显示了其卓越的性能[1~3]。June Chung和Lee K i D[4]采用基于梯度法的优化程序,以绝热效率为目标函数对NA     

透平叶顶泄漏能量损失的数值计算

商用N S求解器已经被用于透平动叶顶部空隙的非定常流场的模拟和研究。本文介绍了一种新的用于透平动叶片顶部空隙区域流场计算的能量损失方法 ,可以方便地用于各种流场。发现高黏度效应区域位于上端壁附近而不是在叶片顶部。研究表明对于不同的动叶片其顶部泄流的能量时均损失是不一样的。该结果提供了一个有用的线索 ,可以通过叶片设计者设计出不同几何和空气动力学参数的非统一的动叶片 ,从而减小能量损失     

A coupling VWM/CFD/CSD method for rotor airload prediction

A coupling fluid-structure method with a combination of viscous wake model(VWM),computational fluid dynamics(CFD) and comprehensive structural dynamics(CSD) modules is developed in this paper for rotor unsteady airload prediction. The hybrid VWM/CFD solver is employed to model the nonlinear aerodynamic phenomena and complicated rotor wake dynamics;the moderate deflection beam theory is implemented to predict the blade structural deformation; the loose coupling strategy based on the ‘delt method' is used to couple the fluid and structure solvers.Several cases of Helishape 7A rotor are performed first to investigate the effect of elastic deformation on airloads. Then, two challenging forward flight conditions of UH-60 A helicopter rotor are investigated, and the simulated results of wake geometry, chordwise pressure distribution and sectional normal force show excellent agreement with available test data; a comparison with traditional CFD/CSD method is also presented to illustrate the efficiency of the developed method.     

转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响

采用数值模拟方法,分析了转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响.利用CFD程序对进口静叶尾迹作用下的压气机转子叶片排非定常流动进行了数值模拟,并采用所编写的程序将气动载荷转化为有限元模型上的动态压力载荷,进行了结构瞬态响应分析.结果表明:在所考查的轴向间距下,随轴向间距的增大,转子叶片振动应力呈减小趋势,这主要是由于造成压力载荷波动的尾迹强度沿流向是减弱的.      

透平机械叶片的遗传优化设计

提出一个基于遗传优化理论的透平机械叶片设计方法。该方法以叶片形状作为优化对象,利用遗传算法通过使其表面边界层中流动损失的极小化来搜索最佳的叶片形状。叶片形状被参数化表示。已知叶片形状的流场分析由一个叶栅正命题CFD程序完成。方法应用于一个离心压缩机扩压器叶片设计。数值计算显示,该方法可成功地求得具有最小流动损失的扩压器叶片形状。