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三维叶片颤振与叶片设计关联性研究

施永强  
【摘要】:颤振是困扰现代航空叶轮机械发展的主要障碍之一,很多叶片断裂事故都是由于颤振造成的。随着现代叶轮机械向着大功率、高负荷、高性能发展,随着叶片长度不断增加,以及叶片减重等因素导致叶片的刚性越来越小,叶片发生气动弹性不稳定性——颤振的可能性也愈来愈大。所以,预报颤振发生几率,避免叶片颤振的研究工作在叶轮机械气动弹性力学学科中占有越来越突出的地位。本文运用由计算流体力学与结构动力学分析方法建立的三维叶片颤振数值分析预估系统对直叶片和三维风扇叶片进行了颤振分析,并在此基础上改变叶型的设计参数,进行了三维叶片颤振与叶片设计关联性的研究。 本文在三维振动叶栅非定常粘性流动计算中,采用三阶无波动、无自由参数的耗散差分格式(NND格式)数值求解Navier—Stokes方程,以保证跨音速叶栅流场激波的高分辨率和激波形状位置的正确性。湍流模型采用CFD计算中广泛使用的Baldwin-Lomax湍流模型,它是一种代数模型,不增加求解方程的数目,计算量相对较少。对于非定常流求解,运用一种全隐式双时间加速算法,尽可能使这种非定常粘性流场的计算能适应在工程设计环境下的应用。 将振动叶栅三维流动数值模拟与振动叶片结构动力学分析相结合,计算叶片上的非定常气动力及气动力做功的大小,最后由能量法来评估颤振发作的几率。由此建立了三维叶片颤振数值分析预估系统。利用此系统对直叶片和三维风扇叶片的颤振特性进行了评估。 在原直叶片与三维风扇叶片的基础上,通过编程设计手段改变其设计参数,使得叶片的展弦比,最大相对厚度与稠度等参数发生改变。并使用三维叶片颤振数值分析预估系统对叶片进行颤振分析,得出叶片颤振与叶片设计参数之间的内在关系。 本文还在三维风扇叶片的基础上对叶片重新积叠,讨论了叶片前掠、后掠以及弯曲对颤振特性的影响。通过计算结果可以看出,前掠、后掠与弯曲或多或少可以提高叶栅的效率,但对颤振特性的影响却各有不同。


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