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振动叶栅非定常流动数值模拟与叶片颤振分析

胡运聪  
【摘要】: 叶片颤振是长期困扰现代航空叶轮机械顺利发展的主要障碍之一,由于叶片颤振造成的机器故障和损毁屡见不鲜。因此,建立叶片颤振分析预测系统对叶轮机设计和改型是十分必要的。本文运用计算流体力学方法,成功地进行了二维和三维振动叶栅非定常粘性流动数值模拟。在此基础上,结合叶片振动结构动力学分析,初步建立了相对完整的叶片颤振数值分析系统。 采用有限体(面)积法求解Navier-Stokes方程,完成了二维振动叶栅流动数值模拟。计算所得的结果与已公布的数据吻合较好。二维分析中发现振动叶栅非定常粘性流动具有较强的非线性特征,振动诱发的分离涡传播频率与叶片的振动频率不一致。 在三维振动叶栅流动数值模拟中,采用高分辨率TVD类型的格式和全隐式双时间方法,保证了对流动的正确模拟,准确地捕捉了跨音流动中的激波,其计算效率非常高。计算结果与半解析解基本一致。 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,建立了叶片颤振数值分析系统。利用此系统对实际叶片的颤振特性进行了评估,得到了正确的结果,说明了本文的方法和所建立的系统正确有效,可望在工程实际问题中加以应用。 此外,本文还对运动网格生成,非定常粘流加速算法—双时间方法以及相差周期边界条件的处理等对振动叶栅非定常流动分析有重要影响的一系列问题进行了深入研究。实践表明,本文的运动网格生成方法简单、快捷、便于进行上、下游边界条件处理,能够给出较准确的振动叶栅非定常流场解;本文计算采用的全隐式双时间方法将三维非定常粘流的计算时间降至工程可以接受的程度,加速效果十分突出。最后,采用多叶栅通道计算来处理相差周期边界条件,在分离涡传播频率与振动频率不同时比其它采用简单相移条件的方法更为合理。


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