诱导轮空化对流固耦合应力分析的影响

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1、第38卷第2期火箭推进Vo1．38，No．22012年4月JOURNALOFROCKETPROPULSIONApr．2012诱导轮空化对流固耦合应力分析的影响褚宝鑫，须村，张晓娜，姜绪强(北京航天动力研究所，北京100076)摘要：采用ANSYSFLUENT软件仿真计算了某型号液体火箭发动机诱导轮在空化情况下的流场压力分布情况，之后将其流体压力分布引入ANSYSWorkbench中，利用单向流固耦合技术进行了该诱导轮的有限元静应力分析，获取了空化及非空化情况下诱导轮的叶片应力分布，分析了空化对诱导轮应力分析结果的影响。关键词：诱导轮；应力分析；空化；流固耦合中图分类号：V434．21—34

2、文献标识码：A文章编号：1672—9374(2012)02—0044—05Influenceofinducercavitationonfluid．．solidcoupledstressanalysisCHUBao-xin，XUCun，ZHANGXiao—na，JIANGXu-qiang(BeijingAerospacePropulsionInstitute，Beijing100076，China)Abstract：ANSYSFLUENTsoftwarewasusedtocalculatetheflowpressuredistributionofa1iquidrocketengineindu

3、cerundertheconditionofcavitation．Thehydrodynamicpressuredistribu—tionwasintroducedintoANSYSWorkbenchsofi~waretoperforrnfiniteelementstaticstressanalysisoftheinducerbytheone—wayfluid—solidcoupledtechnology．Thestressdistributiononthebladesofainducerwasobtainedundertheconditionsofcavitationandnoncavi

4、tation．Theeffectsofcavitationonthestressanalysisresultoftheinducerareanalyzed．Keywords：inducer；stressanalysis；cavitation；fluid-solidcoupledstressanalysis一维计算方法，因此在诱导轮设计阶段均采用有0引言限元软件进行强度分析。受计算模型和硬件等的限制，目前型号研制中对诱导轮的应力计算通常只考虑涡轮泵转速带来的离心力影响，而不考虑诱导轮是涡轮泵的重要部件之一，其强度性流体压力和空化的影响，但目前国内外的许多研能关系到涡轮泵的运行安全和可靠性。目

5、前国内外对于诱导轮强度均没有形成系统完善的经验及究表明，除转速带来的静应力外，空化及流体压收稿日期：2011-11-12；修回日期：2012—0l一17基金项目：国家高技术项目(2008AA702302)作者简介：褚宝鑫(1977一)，男，高级工程师，研究领域为液体火箭发动机涡轮泵技术第38卷第2期褚宝鑫，等：诱导轮空化对流固耦合应力分析的影响45力分布也是造成诱导轮叶片较高应力的主要原因。本文采用ANSYS系列软件对某型号诱导轮进行了空化情况下的CFD流场计算，得到了比不考虑空化更准确的叶片表面压力分布。利用单向流固耦合方法对诱导轮进行有限元结构应力计算，分析了其设计工况下的静应力分布情

6、况并与不考虑空化情况下的诱导轮静应力计算结果进行图2诱导轮流场的计算网格Fig．2CFDgridofinducerflowfield了比较，为诱导轮的强度可靠性分析和改进提供了重要依据。流场计算采用ANSYSFLUENT12．0．16软件进行，计算介质为液氧和气氧，并视为不可压粘1诱导轮流场的CFD仿真性流体。边界条件设置为：流道入口为速度进口；流道出口为压力出口；诱导轮和壳体等固体1．1计算方法及模型壁面给定无滑移壁面边界条件。计算模型及求解诱导轮叶片的进口边对空化的影响较大，因器设置如下：湍流模型采用标准K—epsilon模型；此编制程序对进口修圆及修磨进行了准确造型，多相流模型采用M

7、ixture模型；空化模型选择之后利用Solidworks软件构建了诱导轮的简化三Schnerr—Sauer模型，模型中的系数均使用FLU—维实体模型，如图1所示。利用Gambit2．2．30软ENT默认推荐数值。模型公式和参数在FLuENT件建立了CFD仿真计算流道模型，流道模型整帮助文件中有详细说明，不再详述。体采用四面体进行网格划分，网格的单元总数约1．2计算结果为55万左右，如图2所示。模型进行了如下假对该诱导轮