基于能量法的跨声速风扇叶片气弹稳定性研究

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1、2011蓬第37卷第3期Vo1．37No3Jun20114口／41基于能量法的跨声速风扇叶片气弹稳定性研究赵瑞勇’，杨慧，王延荣(1．西安航天动力研究所，西安710100；2．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191)摘要：基于能量法原理，采用弱耦合的方法对跨声速风扇叶片进行气弹稳定性分析；采用3维线性插值算法编程实现CSD／CFD数据交换。利用有限元法计算叶片的模态振型和固有振动频率；应用FLUENT动网格技术，对NASAR67风扇叶片在不同模态振动下的非定常流场进行数值模拟，给出在前3阶模态振动下叶片表面的周期累积气动功和气动阻尼，并探讨了激波对跨声速风扇叶片

2、气弹稳定性的影响。关键词：叶轮机；风扇叶片；能量法；模态；动网格；气动功；CSD／CFDRearchonAeroelasticStabilityofTransonicFanBladeBasedonEnergyMethodZHAORui—yong，YANGHui，WANGYan—rong2赵瑞勇(1984)，男，硕士，从事发动(1．XianAerospacePropulsionInstitute，Xian710100，China；机振动和气动弹性、液体火箭发动机涡轮泵设计和研究。2．SchoolofJetPropulsion，BeihangUniversity，Beijing，

3、100191，China)Abstract：Basedonenergymethod，theaeroelosticstabilityoftransonic_，blade∞收稿日期：2010—06—06analyzedbyweakcouplingmethod．ThedxttaexchangeofCSD／CFDwasachievedbythe3Dlinearinterpolationmethod．ThemodeshapeandnaturalfrequencyoftheblamewascalculatedbytheFiniteElementfFE1method．Thenumerica

4、lsimulationoftheunsteadyflowfieldforNASAR67fanbladeinthedifferentvibrationmodeswasconductedbytheFLUENTdynamicmeshtechnology．Thecycleaccumulated(1~FOdynamicworkandaerodynamicdampingOfbladesulfacesatthestthreevibrationmodewasobtained．Theeflbctofshockwaveontheaeroelosticstabilityoftransonicfan

5、bladediscussed．Keywords：turbomachinery；fanblade；energymethod；mode；dynamicmeshgrid；aerodynamicwork；CSD／CFD事。因此，在发动机研制过程中，必须避免发动机在整0引言个飞行包线范围内发生颤振。各类叶片颤振都属于现代叶轮机械正朝着高性能和大容量方向发展，气动弹性稳定性问题。气动弹性试验破坏性极大，因由流体诱发的叶片振动问题也越来越严重lll。其中颤此，通常应用计算机和CFD技术对气弹稳定性进行振就是1种典型的流体诱发自激振动f2_。严重的叶片数值仿真研究。叶轮机自身十分复杂，采用直

6、接流固颤振可能破坏发动机支撑结构，甚至导致整架飞机失耦合(FSI)计算分析耗时长，很难让人接受；目前。广201鞲3帮3Vol37No3201{泛采用能量法进行叶轮机械颤振研究，通过计算以转假设叫片在做简谐振动的情况下引入运动网格，子振动的某一自然振型表现的颤振与流场之间的能并对柱坐标系下的雷诺平均N—S方程进行求解来得量平衡来预测颤振。计算中通常忽略非定常气动力对到振动叶片所受到的非定常气动力以及气动所做振动模态的影响。因此，该方法实质上是不耦合，或精的功。确地说是弱耦合的，也就不包括非定常气动力对振型柱坐标系(，r，)下带有角速度为和有限体积和频率的反馈影响。基于能量法的简

7、化方程之所以应表面运动速度【M，)的3维积分型N-S方程为用广泛，主要是因为作用于叶片的非定常气动力与力矩对金属叶片的振动模态与频率影响较小，可以独立鲁小E-U~mg)tt’e+(F-+(G-Ultg·进行结构动力学分析与非定常气动分析，极大简化了分析工作。在叶片气动弹性仿真计算中，由于结构变cL4：9s(3)A形，每一计算时间步都需要生成自适应计算网格。采用式中：f／为气动参数；E、F、G为无黏通量；．为源项。合理的网格更新方法嘲和寻求高效率、高精度的CSD／CFD数据交换方法是耦合技术应用的关键。具