基于流固耦合的部分进气涡轮数值模拟研究

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1、第41卷第5期火箭推进V01．41，№．52015年10月JOURNALOFROCKETPROPULSION0ct．2015基于流固耦合的部分进气涡轮数值模拟研究赵瑞勇，陈晖，刘军年，毋杰(西安航天动力研究所，陕西西安710100)摘要：发展了三维线性插值算法用于CSD／CFD耦合计算数据交换，对某型液体火箭发动机部分进气涡轮进行了气，热，固多学科耦合数值仿真。结果表明，发展的三维线性插值程序对网格类型限制性小，计算简单，计算量小，插值结果能够满足耦合计算要求。仿真结果表明，某型火箭发动机涡轮由于其部分进气结构设计和

2、叶轮高速旋转，设计工况下在涡轮转子入口处产生了较强的激波，激波与边界层干涉不仅使涡轮转子叶片的载荷分布出现了强烈的不均匀性，同时在叶轮的高速旋转下，该涡轮转子受到强烈的气动、热交变力冲击，其结构强度问题变得尤为突出。耦合计算分析认为设计工况下，该型涡轮结构设计，转子强度能够满足要求。关键词：部分进气涡轮；CFD／CSD；数值仿真中图分类号：V434．21—34文献标识码：A文章编号：1672—9374(2015)05—0038—05Numericalsimulationmethodofpartialadmission

3、turbinebasedonfluid—structurecouplingZHAORuiyong，CHEN(Xi’anAerospacePropulsionHui，LIUJunnian，WUJieInstitute，Xi’an710100，China)Abstract：Athree—dimensionallinearinterpolationmethodisdevelopedfortheexchangeofCSD／CFDcouplingcalculationdatatoexecutenumericalsimulati

4、onofair／thermal／liquid．structurecouplingforapartialadmissionturbineinliquidrocketengine．Theresultsshowthatthedevelopedthree—dimensionallinearinterpolationprogramreliesongridtypeweakly，hasthecharacteristicsofsimplecalculationandlesscalculatedquantity，andcanmeett

5、herequirementsofcouplingcalculation．Theresultsofthecouplingsimulationshowthataseriousshockwaveisgeneratedatinletofturbinerotor，whichmakesthebladeloaddistributionasymmetricalwhichhasanimportantimpactontheturbinerotor．Thecouplingcalculationandanalysisshowsthatthe

6、strengthoftheturbinerotorwiththedesignedstructurecansatisfytherequirements．Thedesigncanprovideareferencefordesign收稿日期：2014—11-25；修回日期：2015—04—03作者简介：赵瑞勇(1984一)，男，工程师，研究领域为液体火箭发动机涡轮泵设计，流固耦合仿真第41卷第5期赵瑞勇，等：基于流固耦合的部分进气涡轮数值模拟研究39andengineeringapplicationofthepartial

7、admissionturbineinacertaintypeofliquidrocketengineKeywords：partialadmissionturbine；CFD／CSD；numericalsimulation0引言部分进气设计的燃气涡轮机内部流动极为复杂，由于粘性和复杂几何条件引起的激波存在相互耦合，造成了流动的非定常性和非稳定性，其内流场气动特性不同于一般燃气涡轮。某型液体火箭发动机涡轮由于其部分进气设计和叶轮高速旋转导致叶轮受到强烈的交变力冲击，对叶片应力分布产生很大影响。考虑真实工况的气动、热载荷进

8、行叶轮强度计算对涡轮结构设计和工程研制有着重要意义。限于整机试验研究成本，随着计算机技术和CFD技术的发展，对涡轮进行流固耦合数值仿真成为研究该问题的重要手段。在流固耦合仿真计算中，由于流体域和固体域耦合交界面网格疏密不一致，因此要想实现载荷传递与流固数据交换，寻求高效率、小误差的CSD／CFD数据交换方法是实现耦合技术的关键：无限平板样条(I