基于流固耦合的压气机叶片气动弹性稳定性研究

摘要

叶片作为叶轮机械的重要部件，其气动性能的好坏直接关系到整个机械系统运行的安全性、可靠性和经济性。叶片在流场中气动力的作用下会产生结构变形并激变其周围流场分布，使作用于其上的气动力发生改变，造成叶片振动。当叶片振动幅值不断增加时，叶片就会发生颤振。叶轮机械气动弹性稳定性问题属于流固耦合问题，一直以来是颤振分析的一个难点。
　　本文以NASA Rotor67叶片为研究对象，建立了压气机叶片单通道物理模型，并对其流体域和固体域进行网格划分，采用CFX软件对其进行定常流场分析，将得到的压气机特性曲线与 NASA报告中的试验结果进行了对比，以验证所采用的模拟方法是否能较准确地预测该压气机的内部流场特性；以此结果作为初始条件，使用ANSYS软件作为固体域求解器，CFX软件作为流体域求解器，并以MFX-ANSYS/CFX为数据耦合平台进行流固耦合数值模拟，分析了不同工况下叶片在离心载荷和非定常气流激振力作用下的振动特性。
　　结果表明：1）与NASA试验结果相比，定常计算得到的压气机特性曲线其总压比和绝热效率的最大相对误差分别约为4.52%和3.89%，总体相对误差较小，且两者整体趋势一致，验证了所采用的模拟方法能够较准确地预测该压气机的内部流场特性；2）在近失速点与近设计点中间某一工况下叶片发生了低频振动，频率大小与流场宏观性能波动频率十分接近；与刚性叶片流场计算相比，叶片振动使得叶栅流场的有效通流面积减小，流量波动频率增大，第一阶频率增大了33.33%；3）叶片在工作转速近失速工况下不会发生颤振；叶片振动主频率为367.6 Hz，远小于其一阶动频，不会发生共振；叶片压力边和吸力边的根部中间位置至50%叶高中间处产生了较大的动力响应，最大应力约为31.1MPa；4）不同工况下非定常计算得到的叶片振动位移不同，振动模态可能发生转变，但振动频率不会有明显变化。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 叶轮机械流固耦合问题研究现状

1.3 本文主要研究内容

第2章 流固耦合相关理论

2.1 计算流体力学

2.2 结构动力学

2.3 流固耦合计算相关软件及其模块介绍

2.4 本章小结

第3章 三维定常流场数值模拟研究

3.1 模型的选取

3.2 物理模型的建立

3.3 三维定常数值模拟

3.4 本章小结

第4章 压气机叶片气动弹性数值研究

4.1 模态分析

4.2 流固耦合方法

4.3 计算结果分析

4.4 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢