發(fā)布時(shí)間：2020-06-25 00:44

【摘要】：氣動(dòng)彈性問題是影響葉輪機(jī)械特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能和安全的一個(gè)重要因素。作為一個(gè)交叉學(xué)科,葉輪機(jī)械氣動(dòng)彈性力學(xué)涉及與葉片變形和振動(dòng)相關(guān)聯(lián)的定常/非定常流動(dòng)特性、顫振機(jī)理以及各種氣彈現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型等的研究。本文基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)自主建立了一個(gè)適用于葉輪機(jī)械定常/非定常流動(dòng)、靜氣動(dòng)彈性和顫振問題的綜合計(jì)算分析平臺(tái),并針對(duì)多種氣動(dòng)彈性問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。主要研究?jī)?nèi)容和學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)如下:由于葉輪機(jī)械氣動(dòng)彈性與內(nèi)流空氣動(dòng)力特性密切相關(guān),真實(shí)模擬其內(nèi)部流場(chǎng)是研究的重點(diǎn)之一�；�于數(shù)值求解旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的雷諾平均N S(RANS)方程,首先構(gòu)造了適合于旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動(dòng)的CFD模擬方法。特別的,針對(duì)葉片振動(dòng)引起的非定常流動(dòng)問題,采用動(dòng)網(wǎng)格方法進(jìn)行模擬,通過一種高效的RBF TFI方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格動(dòng)態(tài)變形;針對(duì)動(dòng)靜葉排干擾引起的非定常流動(dòng)問題,采用一種葉片約化模擬方法,通過一種基于通量形式的交界面參數(shù)傳遞方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)靜子通道之間流場(chǎng)信息的交換。數(shù)值算例驗(yàn)證了本文的CFD方法具有較高的計(jì)算精度和效率,從而為后續(xù)氣動(dòng)彈性研究奠定基礎(chǔ)。靜氣動(dòng)彈性計(jì)算既是葉輪機(jī)械葉片設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中的重要環(huán)節(jié),同時(shí)也是顫振分析的前提�；�于定常流動(dòng)CFD求解技術(shù)和流固雙向耦合思想,發(fā)展了一種高效的靜氣彈計(jì)算方法。對(duì)于已知冷態(tài)(加工)外形要求熱態(tài)(工作)外形的靜氣彈正問題,將葉片總變形分解為離心力和氣動(dòng)力引起的變形之和,分別通過非線性有限元分析和模態(tài)法求解。對(duì)于已知熱態(tài)外形要求冷態(tài)外形的靜氣彈反問題,在求解正問題方法的基礎(chǔ)上采用了一種高效的預(yù)估校正迭代法,從而能夠高效準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)出未知冷態(tài)外形。應(yīng)用所發(fā)展的方法計(jì)算分析了轉(zhuǎn)子葉片冷熱態(tài)外形之間的差異以及變形對(duì)氣動(dòng)性能的影響。基于非定常流動(dòng)CFD求解技術(shù)和能量法對(duì)振蕩葉片流場(chǎng)以及葉片顫振特性進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,重點(diǎn)研究了葉輪機(jī)械中特有的葉間相位角因素。鑒于簡(jiǎn)單多通道模擬法和傳統(tǒng)相位延遲類方法存在的不同缺點(diǎn),本文在原始形修正法基礎(chǔ)上提出了一種新型雙通道形修正法,其利用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)周向邊界的流場(chǎng)變量進(jìn)行修正而相應(yīng)的傅里葉系數(shù)則由兩個(gè)通道交界面附近內(nèi)部單元中的變量值進(jìn)行計(jì)算更新。理論上和數(shù)值計(jì)算均證明,采用該方法既能統(tǒng)一有效的計(jì)算任意葉間相位角下的非定常流動(dòng)和預(yù)測(cè)氣彈穩(wěn)定性,同時(shí)相比于原始方法顯著提高了計(jì)算收斂性和魯棒性。結(jié)合數(shù)值計(jì)算結(jié)果還定量研究了典型振蕩葉柵/葉片的顫振特性并從能量角度分析了潛在的顫振機(jī)理。為了更真實(shí)地模擬葉片受擾動(dòng)情況下的振動(dòng)響應(yīng),發(fā)展了一種基于CFD/CSD耦合的顫振計(jì)算時(shí)域法。非定常氣動(dòng)力計(jì)算基于前述的CFD方法,結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程求解基于模態(tài)法,采用一種雜交預(yù)估校正方法確保每一物理時(shí)間步流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)的高效精確推進(jìn)。對(duì)Rotor67轉(zhuǎn)子葉片的計(jì)算結(jié)果表明該葉片無任何形式顫振發(fā)作的危險(xiǎn)。對(duì)某風(fēng)扇轉(zhuǎn)子葉片的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了其在部分轉(zhuǎn)速下會(huì)發(fā)生亞/跨聲速失速顫振并給出了相應(yīng)的顫振邊界,此外還從物理上和數(shù)值上對(duì)失速顫振機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。進(jìn)一步還將CFD/CSD耦合時(shí)域法拓展至工程實(shí)際中的復(fù)雜顫振問題,通過針對(duì)性地構(gòu)造計(jì)算方案或者利用簡(jiǎn)化模型等分別數(shù)值研究了非零葉間相位角下的顫振問題、帶阻尼凸肩葉片顫振問題以及多排葉片顫振問題。鑒于定常/非定常氣動(dòng)力在氣動(dòng)彈性研究中的重要地位,為了提高流場(chǎng)模擬能力,本文還基于一種前沿性的氣體動(dòng)理學(xué)格式(GKS)發(fā)展了適用于典型葉輪機(jī)械流動(dòng)的數(shù)值方法。研究?jī)?nèi)容主要包括三方面:針對(duì)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)構(gòu)造一種旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的GKS,其核心思想是通過添加粒子加速度項(xiàng)來考慮非慣性系引起的額外源項(xiàng)效應(yīng);針對(duì)葉柵振蕩非定常流動(dòng)構(gòu)造一種動(dòng)網(wǎng)格系統(tǒng)下的GKS,主要方法是通過改變粒子遷移速度來考慮網(wǎng)格運(yùn)動(dòng);針對(duì)原始顯式GKS計(jì)算效率較低的缺點(diǎn),結(jié)合Jacobian Free Newton Krylov(JFNK)方法首次提出一種高效隱式JFNK GKS,從而使GKS應(yīng)用于葉輪機(jī)械復(fù)雜工程問題成為可能。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：V231;O35
【圖文】：

葉輪機(jī)械非定常流動(dòng)及氣動(dòng)彈性計(jì)算分當(dāng)前文獻(xiàn)記載過的出現(xiàn)過顫振現(xiàn)象的風(fēng)扇葉片。近年來，隨著葉輪機(jī)械性能的提升，葉片變薄，級(jí)壓比增加，非定常負(fù)荷加大，從而導(dǎo)致顫振問題更加突出。由于顫振涉及到氣動(dòng)力和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性間的相互作用，再加上葉輪機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜的工作環(huán)境和諸多的外部非定常要素，當(dāng)前對(duì)其機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚未完全清楚[8]。

圖 1.2 典型壓氣機(jī)顫振邊界示意圖輪機(jī)械氣動(dòng)彈性研究狹義上專指顫振問題研究，廣義上研究，其中后者又可分為動(dòng)力響應(yīng)（強(qiáng)迫振動(dòng)）和顫振（氣動(dòng)彈性和顫振，并且由于它們和空氣動(dòng)力特性密切相模擬進(jìn)行了重點(diǎn)研究。需要說明的是，葉輪機(jī)械內(nèi)實(shí)際如輸送管路不穩(wěn)定、漩渦誘發(fā)振動(dòng)以及發(fā)動(dòng)機(jī)葉片抖振可以參考文獻(xiàn)[12]。輪機(jī)械氣動(dòng)彈性力學(xué)是一門交叉學(xué)科，主要涉及非定常者們對(duì)它的研究一般都會(huì)側(cè)重于其中某一方面。鑒于論機(jī)械非定常流動(dòng)模擬以及氣動(dòng)彈性力學(xué)在國(guó)內(nèi)外的進(jìn)展力學(xué)(CFD)的廣泛應(yīng)用，為了提高對(duì)復(fù)雜亞/跨/超/高超ann 方程的氣體動(dòng)理學(xué)類方法在近十幾年來受到越來越及其在葉輪機(jī)械流動(dòng)中的應(yīng)用情況進(jìn)行概述。

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 黃煒;陸志良;唐迪;郭同慶;;基于多點(diǎn)約束的大展弦比機(jī)翼靜氣動(dòng)彈性計(jì)算[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2014年12期

2 鄭峗;王彪;楊慧;;跨聲速風(fēng)扇葉片的靜態(tài)氣動(dòng)彈性問題[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2013年11期

3 全金樓;張偉偉;蘇丹;葉正寅;;基于CFD/CSD時(shí)域耦合方法的多通道葉柵顫振分析[J];航空學(xué)報(bào);2013年09期

4 李啟兵;徐昆;;氣體動(dòng)理學(xué)格式研究進(jìn)展[J];力學(xué)進(jìn)展;2012年05期

5 張小偉;王延榮;徐可寧;;壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片顫振邊界的預(yù)測(cè)方法[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2011年02期

6 張明明;李紹斌;侯安平;周盛;;葉輪機(jī)械葉片顫振研究的進(jìn)展與評(píng)述[J];力學(xué)進(jìn)展;2011年01期

7 徐可寧;王延榮;;時(shí)域法在壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子氣動(dòng)彈性計(jì)算中的應(yīng)用[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2011年01期

8 孟慶國(guó),周盛;葉輪機(jī)械非定常流動(dòng)研究進(jìn)展[J];力學(xué)進(jìn)展;1997年02期

9 張涵信;無波動(dòng)、無自由參數(shù)的耗散差分格式[J];空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào);1988年02期

10 蔣滋康,張衛(wèi)偉;振動(dòng)葉柵非定常流場(chǎng)的時(shí)間推進(jìn)計(jì)算方法[J];工程熱物理學(xué)報(bào);1985年03期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 胡運(yùn)聰;振動(dòng)葉柵非定常流動(dòng)數(shù)值模擬與葉片顫振分析[D];西北工業(yè)大學(xué);2003年

本文編號(hào)：2728603