【摘要】： 流體激振是造成葉輪機(jī)械安全性問題的重要原因。本文發(fā)展了一種流固耦合數(shù)值計算方法來研究葉輪機(jī)械的流體激振問題。該方法采用了準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)物理模型，在流體區(qū)域求解二維、三維Favre平均的非定常Navier-Stokes方程，在固體區(qū)域?qū)τ诓煌膯栴}求解體振動模型，每一個計算時間步完成后，流體和固體之間傳遞一次邊界條件。在計算網(wǎng)格移動下的非定常流場時采用了高精度、高分辨率的數(shù)值計算方法——LU-SGS-GE隱式格式和高階MUSCL TVD格式。在固體區(qū)域針對不同的固體振動模型采用了四階Rounge-Kutta法或Lax法求解。采用這套數(shù)值方法研究了葉輪機(jī)械中三種典型的流體激振問題。 首先研究了二維翼型的古典顫振(小攻角)、失速顫振(失速攻角)和動力響應(yīng)問題(大攻角)，得到以下結(jié)論：在靜態(tài)失速攻角附近的一定來流速度范圍內(nèi)，分離渦會發(fā)生頻率鎖定現(xiàn)象，分離流的頻率與固有頻率趨于相同，這時的振動呈現(xiàn)自激振動的特點；遠(yuǎn)離失速攻角時分離流頻率則擺脫固有頻率的影響，此時的振動具有強迫振動的特點。這種頻率鎖定規(guī)律可以清楚地解釋失速顫振的各種非線性現(xiàn)象。在大攻角下分離渦脫落的頻率沒有一個明顯的頻率鎖定區(qū)域，流體振動屬于穩(wěn)定的動力響應(yīng)問題，但在大來流速度下會出現(xiàn)振幅突跳的現(xiàn)象。在機(jī)理研究的基礎(chǔ)上深入研究了振蕩射流減振技術(shù)，得到了振蕩射流參數(shù)對減振效果和升力系數(shù)的影響規(guī)律。 其次研究了密封轉(zhuǎn)子的流體激振問題。采用本文的流固耦合方法成功地捕捉到頻率鎖定的現(xiàn)象，且發(fā)現(xiàn)隨著轉(zhuǎn)速的提高，固有頻率也增大，從而證明高轉(zhuǎn)速下密封轉(zhuǎn)子會發(fā)生自激振動，傳統(tǒng)的剛度阻尼方法對此是無法解釋的。另外，本文還得到了壓比、預(yù)旋度對密封轉(zhuǎn)子自激振動的影響規(guī)律。 最后研究了三維透平葉片的流體激振問題，在模擬大負(fù)攻角下的顫振時發(fā)現(xiàn)，傳播失速響應(yīng)頻率向固有頻率靠近是振動發(fā)散的一個重要判據(jù)。它不但可用于判斷流體激振的穩(wěn)定性，而且可以研究顫振的強度。這對于葉輪機(jī)械的設(shè)計和運行是很有意義的。 研究成果證明本文發(fā)展的流固耦合方法具有先進(jìn)性、有效性和實用價值，，所得到的研究成果對葉輪機(jī)械的工程設(shè)計具有重要的理論意義和工程價值。
【圖文】：

第一章 穩(wěn)定低頻振動問題 跟蹤測試表明 態(tài)值為 29.5 m/13.5Hz 21.7 m/1m/50Hz 其中 27Hz 的 低 頻 分 量1725r/min 這些低頻振蕩分量正是由于從這些例子可以看出 葉輪機(jī)械高性能葉輪機(jī)械以及葉輪機(jī)械的安全輪機(jī)械內(nèi)的流體激振問題具有很大的實1 . 1 . 2 葉輪機(jī)械氣動彈性問題的研究內(nèi)氣動彈性問題可以采用 A. R. C來進(jìn)行最好的定義(圖 1.1) 該力三即彈性力 慣性力和空氣動力 它們態(tài)下 于是 每種氣動彈性問題可以

圖 3.4 壓力分布的計算值與試驗值的比較( α =17o)用的網(wǎng)格已經(jīng)足夠密 時間步長也已經(jīng)足夠小 繼續(xù)計算結(jié)果的影響很小 另外計算結(jié)果對壁面處第一排 本文進(jìn)行了大量的數(shù)值計算 比較了不同 y時的54 10 ≤ × 時 都得到了比較好的計算結(jié)果 而當(dāng)如果綜合比較升力系數(shù)曲線和阻力系數(shù)曲線的計算結(jié)果模擬結(jié)果都比較令人滿意 在附著流動和輕微失速這上沖程和下沖程的升力系數(shù)差別不大 遲滯現(xiàn)象不很論采用零方程模型(B-L, RNG) 半方程模型(J-K) 一文使用的低雷諾數(shù) q ω湍流模型 都能得到比較好出 升力系數(shù)遲滯曲線和阻力系數(shù)遲滯曲線都和實驗
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2002
【分類號】：TB535

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本文編號：2709652