基于CFD∕CSD时域耦合方法的多通道叶栅颤振分析

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1、航空学报Sep．252013V01．34No．92019．2028ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893ON11-1929／V======================================================一http：／／hkxb．buaaedu．cahkxb@buaa．edu．cn基于CFD／CSD时域耦合方法的多通道叶栅颤振分析全金楼，张伟伟*，苏丹，叶正寅西北工业大学翼型叶栅空气动力学国家重点实验室，陕西西安710072摘要：为了对叶轮机多通道叶栅颤振进行研究分析，基于时域计算流体力学(CF

2、D)方法，耦合简化的结构动力学方程，运用杂交的线性多步方法实现了对多通道叶栅的时域耦合颤振仿真。该耦合方法通过分析叶片的动力响应特性，获得叶栅的气动弹性稳定性特征。以标准叶栅颤振模型——sTcF4(StandardTestConfiguration4)为算例，计算结果表明该耦合方法与经典非耦合方法在对失稳区域的预测结果吻合得很好，证实了该耦合方法的正确性。运用该耦合方法计算了不同通道数下的自由响应，对比发现真实的叶轮机颤振与外流机翼颤振失稳的不同之处在于叶轮机叶排颤振失稳在很大程度上是一个多模态同时失稳问题；且由于出现不稳定的分支频率和阻尼都接近，叶片的时域响应会出现典型的葫芦节型

3、发散。关键词：叶轮机；气动弹性；耦合；颤振；多模态中图分类号：V211．47文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)09—2019—10随着人们对叶轮机械性能提升的不断追求，叶轮机械力求提高工作载荷而减小尺寸和重量，导致叶轮机械叶片颤振问题日显突出，已成为叶轮机械设计阶段的限制性因素口1]。近年来在航空燃气涡轮发动机中由于颤振疲劳而损坏叶片的故障出现的相当多，如英国的RB211、美国的F100等机种的发动机在研制过程中都出现过压气机或者风扇叶片的颤振故障。所以准确地预测叶轮机的颤振边界，弄清叶轮机颤振的本质对指导叶轮机的设计具有重要的意义。研究叶轮机颤振特性的数值方法

4、有解耦方法(非耦合方法)和耦合方法。解耦方法将流体域和固体域进行解耦，不考虑两者之间的相互作用，以此来对问题进行简化分析。一般来说，解耦方法相对于耦合方法来说计算量较小、求解速度较快，在叶片质量比较大时能较为准确地预测系统的颤振特性。但是解耦方法只适用于单模态问题的求解，而不适用于多模态耦合等问题的求解。基于行波颤振模型的能量法[4巧1是应用最广泛的解耦方法[6。9]。该方法假设所有叶片以同样的频率和振幅做简谐振动，相邻叶片的振动相差一个相同的叶问振动相角(Inter—BladePhaseAngle，IB—PA)，通过计算一个振动周期内非定常气动力对叶片所做的功来对叶片的振动趋势进

5、行预测。若气动力做负功，则叶片振动过程中气动力起阻尼作用，叶片振动将趋于收敛；若气动力做正功，则意味着叶片振动过程中气动力向叶片输入能量，叶片振动将趋于发散。Sadeghi和Liu[10]应用该方法计算出了典型叶间相角时的颤振特性，计算结果与实验值基本吻合。Kubo和Namba[1叼通过对五叶排通道和三叶排通道在只考虑叶片气动耦合情况下的计算发现五通道比三通道更容易出收稿日期：2012—10—23；退修日期：2013-01-15；录用日期：2013-03．18；网络出版时间：2013-04．1113：28网络出版：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V

6、．20130411．1328．001html基金项目：国家自然科学基金(11172237，10802063)；航空科学基金(2009zA53009)*通讯作者．Tel．：029—88491342E-mail：aeroelastic@nwpueduon嘲琨格芪

7、QuanJL，ZhangWW。SuD．etal．FlutteranalysmofturbomachinerycascadesbasedoncoupledCFD／CSDmethod．ActaAero—nauticaetAstronauticaSinica，2013，34(9)：2019-2028．全金楼，张伟伟，苏丹，等．基fO

8、FD／OSD时域耦合方法的多通道咛糖颤振分析．航空学报．2013，34(9)：2019-2028．2020航空学报Sep．252013Vol34No．9现颤振。张陈安等[121基于该方法提出了一种叶轮机叶片气动阻尼的高效求解方法，运用该方法求解叶轮机叶片的气动阻尼系数，对某个频率、某个模态只需要进行一次非定常计算，就可以求出所有IBPA下的气动阻尼系数，大大提高了气动阻尼的求解效率。耦合方法将结构运动方程和非定常Euler／Navier—Stokes方程进行时域耦合求