【摘要】：氣動彈性問題是影響葉輪機械特別是航空發(fā)動機性能和安全的一個重要因素。作為一個交叉學(xué)科,葉輪機械氣動彈性力學(xué)涉及與葉片變形和振動相關(guān)聯(lián)的定常/非定常流動特性、顫振機理以及各種氣彈現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型等的研究。本文基于計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)自主建立了一個適用于葉輪機械定常/非定常流動、靜氣動彈性和顫振問題的綜合計算分析平臺,并針對多種氣動彈性問題進行了數(shù)值模擬研究。主要研究內(nèi)容和學(xué)術(shù)貢獻如下:由于葉輪機械氣動彈性與內(nèi)流空氣動力特性密切相關(guān),真實模擬其內(nèi)部流場是研究的重點之一。基于數(shù)值求解旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雷諾平均N S(RANS)方程,首先構(gòu)造了適合于旋轉(zhuǎn)機械流動的CFD模擬方法。特別的,針對葉片振動引起的非定常流動問題,采用動網(wǎng)格方法進行模擬,通過一種高效的RBF TFI方法實現(xiàn)網(wǎng)格動態(tài)變形;針對動靜葉排干擾引起的非定常流動問題,采用一種葉片約化模擬方法,通過一種基于通量形式的交界面參數(shù)傳遞方法實現(xiàn)轉(zhuǎn)靜子通道之間流場信息的交換。數(shù)值算例驗證了本文的CFD方法具有較高的計算精度和效率,從而為后續(xù)氣動彈性研究奠定基礎(chǔ)。靜氣動彈性計算既是葉輪機械葉片設(shè)計優(yōu)化過程中的重要環(huán)節(jié),同時也是顫振分析的前提�；诙ǔＡ鲃覥FD求解技術(shù)和流固雙向耦合思想,發(fā)展了一種高效的靜氣彈計算方法。對于已知冷態(tài)(加工)外形要求熱態(tài)(工作)外形的靜氣彈正問題,將葉片總變形分解為離心力和氣動力引起的變形之和,分別通過非線性有限元分析和模態(tài)法求解。對于已知熱態(tài)外形要求冷態(tài)外形的靜氣彈反問題,在求解正問題方法的基礎(chǔ)上采用了一種高效的預(yù)估校正迭代法,從而能夠高效準確地預(yù)測出未知冷態(tài)外形。應(yīng)用所發(fā)展的方法計算分析了轉(zhuǎn)子葉片冷熱態(tài)外形之間的差異以及變形對氣動性能的影響。基于非定常流動CFD求解技術(shù)和能量法對振蕩葉片流場以及葉片顫振特性進行預(yù)測分析,重點研究了葉輪機械中特有的葉間相位角因素。鑒于簡單多通道模擬法和傳統(tǒng)相位延遲類方法存在的不同缺點,本文在原始形修正法基礎(chǔ)上提出了一種新型雙通道形修正法,其利用傅里葉級數(shù)對周向邊界的流場變量進行修正而相應(yīng)的傅里葉系數(shù)則由兩個通道交界面附近內(nèi)部單元中的變量值進行計算更新。理論上和數(shù)值計算均證明,采用該方法既能統(tǒng)一有效的計算任意葉間相位角下的非定常流動和預(yù)測氣彈穩(wěn)定性,同時相比于原始方法顯著提高了計算收斂性和魯棒性。結(jié)合數(shù)值計算結(jié)果還定量研究了典型振蕩葉柵/葉片的顫振特性并從能量角度分析了潛在的顫振機理。為了更真實地模擬葉片受擾動情況下的振動響應(yīng),發(fā)展了一種基于CFD/CSD耦合的顫振計算時域法。非定常氣動力計算基于前述的CFD方法,結(jié)構(gòu)運動方程求解基于模態(tài)法,采用一種雜交預(yù)估校正方法確保每一物理時間步流場和結(jié)構(gòu)場的高效精確推進。對Rotor67轉(zhuǎn)子葉片的計算結(jié)果表明該葉片無任何形式顫振發(fā)作的危險。對某風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的計算結(jié)果驗證了其在部分轉(zhuǎn)速下會發(fā)生亞/跨聲速失速顫振并給出了相應(yīng)的顫振邊界,此外還從物理上和數(shù)值上對失速顫振機理進行了簡要分析。進一步還將CFD/CSD耦合時域法拓展至工程實際中的復(fù)雜顫振問題,通過針對性地構(gòu)造計算方案或者利用簡化模型等分別數(shù)值研究了非零葉間相位角下的顫振問題、帶阻尼凸肩葉片顫振問題以及多排葉片顫振問題。鑒于定常/非定常氣動力在氣動彈性研究中的重要地位,為了提高流場模擬能力,本文還基于一種前沿性的氣體動理學(xué)格式(GKS)發(fā)展了適用于典型葉輪機械流動的數(shù)值方法。研究內(nèi)容主要包括三方面:針對旋轉(zhuǎn)流動構(gòu)造一種旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的GKS,其核心思想是通過添加粒子加速度項來考慮非慣性系引起的額外源項效應(yīng);針對葉柵振蕩非定常流動構(gòu)造一種動網(wǎng)格系統(tǒng)下的GKS,主要方法是通過改變粒子遷移速度來考慮網(wǎng)格運動;針對原始顯式GKS計算效率較低的缺點,結(jié)合Jacobian Free Newton Krylov(JFNK)方法首次提出一種高效隱式JFNK GKS,從而使GKS應(yīng)用于葉輪機械復(fù)雜工程問題成為可能。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：V231;O35
【圖文】：

葉輪機械非定常流動及氣動彈性計算分當(dāng)前文獻記載過的出現(xiàn)過顫振現(xiàn)象的風(fēng)扇葉片。近年來，隨著葉輪機械性能的提升，葉片變薄，級壓比增加，非定常負荷加大，從而導(dǎo)致顫振問題更加突出。由于顫振涉及到氣動力和結(jié)構(gòu)動力特性間的相互作用，再加上葉輪機械內(nèi)部復(fù)雜的工作環(huán)境和諸多的外部非定常要素，當(dāng)前對其機理的認識尚未完全清楚[8]。

圖 1.2 典型壓氣機顫振邊界示意圖輪機械氣動彈性研究狹義上專指顫振問題研究，廣義上研究，其中后者又可分為動力響應(yīng)（強迫振動）和顫振（氣動彈性和顫振，并且由于它們和空氣動力特性密切相模擬進行了重點研究。需要說明的是，葉輪機械內(nèi)實際如輸送管路不穩(wěn)定、漩渦誘發(fā)振動以及發(fā)動機葉片抖振可以參考文獻[12]。輪機械氣動彈性力學(xué)是一門交叉學(xué)科，主要涉及非定常者們對它的研究一般都會側(cè)重于其中某一方面。鑒于論機械非定常流動模擬以及氣動彈性力學(xué)在國內(nèi)外的進展力學(xué)(CFD)的廣泛應(yīng)用，為了提高對復(fù)雜亞/跨/超/高超ann 方程的氣體動理學(xué)類方法在近十幾年來受到越來越及其在葉輪機械流動中的應(yīng)用情況進行概述。

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 胡運聰;振動葉柵非定常流動數(shù)值模擬與葉片顫振分析[D];西北工業(yè)大學(xué);2003年

本文編號：2728603