基于CFD∕CSD耦合的叶轮机叶片失速颤振计算

《基于CFD∕CSD耦合的叶轮机叶片失速颤振计算》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAerOnauticaetAstronauticaSinicaADr．252015VoI．36No．41076-1085lSSN1000．6893CN11．1929／VhttD：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn基于CFD／CSD耦合的叶轮机叶片失速颤振计算周迪，陆志良*，郭同庆，沈恩楠南京航空航天大学航空宇航学院，南京210016摘要：为了研究叶轮机叶片的失速颤振特性，发展了一种计算流体力学与计算结构力学(CFD／CSD)时域耦合方法。该方法通过每一物理时刻CFD和csD的循环迭代实现了耦合计算

2、。在CFD分析中，采用鲁棒性较好的空间离散格式AUSM+一UP，并基于延迟脱体涡模型(DDES)模拟了带分离流动。在结构分析中，通过模态法构建了旋转叶片动力学方程并运用杂交多步方法进行求解。以孤立转子Rotor37为例，计算了不同工况下流场总体与细节参数，与实验结果的对比验证了CFD算法的精度。对某转子叶片进行了颤振特性研究，计算所得的广义位移时间响应曲线表明该叶片在近失速工况下会发生失速颤振，其表现形式为一阶弯曲模态发散且各阶模态之间不耦合。分析表明，流场不稳定和非定常效应是引起失速颤振的关键因素，同时折合频率的降低也会导致原本气动弹性稳定的

3、叶片发生失速颤振。关键词：叶轮机；气动弹性；失速颤振；CFD／CSD；时域法中图分类号：V211．47文献标识码：A文章编号：1000一6893(2015)04—1076—10现代航空发动机日益向高负荷、高效率和高可靠性的趋势发展，在性能提升的同时，叶轮机械叶片的振动问题也日益突出。颤振是叶片振动的一种重要形式，叶片颤振一旦发作，大幅强烈振动会使叶片在短时间内断裂，破坏性极大，因此如何准确地预测和分析颤振成为叶轮机械领域研究的重点和难点[1]。由于颤振涉及到气动力特性与固体动力特性间的复杂作用，当前对其机理尚未完全清楚。国内外该领域研究人员做了

4、大量的工作来研究分析颤振，经验法[21是最早出现并且工程上至今仍在使用的一种方法，它在已有叶片颤振的大量统计数据基础上根据相似准则或者经验性边界曲线来预测气动弹性稳定性。这种方法强烈地依赖于数据库和经验，存在一定的局限性。随着计算方法的发展以及计算机性能的提高，数值计算分析叶片颤振特性成为研究热点。通常，国内外大多数研究学者都是基于流固解耦的简化思想，分别从气体动力学角度和结构动力学角度各自发展出了一系列方法，最具有代表性的是能量法[3’4]和特征值法[5]。能量法规定叶片或叶栅某种振动规律下进行非定常气动力计算，根据计算得到的一个周期内的气动

5、力来判断叶片的气动弹性稳定性。特征值法利用一些假设条件将气动力表示为线性函数，与结构动力特性结合起来形成统一的气动弹性方程，将问题转化为特征值问题。这两种方法本质上都是通过一些简化和近似条件弱化了或者忽略了流场和结构场的相互作用。在现代叶轮机械设计中，叶片负荷增大而质量比却减小，流固耦合效应增强，同时单模态运动假设也有一定的局限，因此这种传统的流固解耦方法有待进一步研究。收稿日期：2014—07—16；退修日期：2014—08-07；录用日期：2014·09-02；网络出版时间：2014-09-1015：20网络出版地址：www．cnki．ne

6、t／kcms／detail／10．7527／S1000—6893．2014．0212．html基金项目：江苏省高校优势学科建设工程资助项目*通讯作者．Tel：025-84892680E-mail：luzl@nuaa．edu．cn引用格武

7、Zh。uD．LuZL，GuoTQ．eta

8、．sla㈣ulleroomDulationo{mrbomach

9、nefyb

10、adebas酣onacFD／csD∞up诵gmethod[JIjAclaAeronauticaetAsfronauticas

11、nica，2015，36(4)：1076—1085．忍迪．陆志良，郭

12、商庆．等．基fcFo／csD耦合的叶轮机叶片失速颤撮计算[JI航空学报。2015．36(4)：1876—1085周迪等：基于CFD／CSD耦合的叶轮机叶片失速颤振计算计算流体力学与计算结构力学(Computation-alFIuidDynamics／ComputationalStructuralDy—namics，CFD／CSD)时域耦合法[613将结构运动方程和非定常Euler／Navier—Stokes方程进行时域耦合求解，在每一时间步，固体域和流体域之间仅通过边界条件的交错迭代进行更新。这种分域求解方法的优点在于既能够考虑到流体与固体间的

13、相互影响，又避免了整体求解方法难以构建统一的系统方程以及计算量巨大等缺点。Sadeghi和Liu[8]通过耦合方法研究了Rotor67在工作点状态下的