[发明专利]叶轮机械计入叶间相位角的气弹稳定性流固耦合预测方法

摘要

叶轮机械计入叶间相位角的气弹稳定性流固耦合预测方法，采用能量法，通过不同叶间相位角的模态气动阻尼比预测叶轮机械的气弹稳定性。该方法对建立的单扇区有限元模型采用含预应力的模态分析，通过数据传递方法实现流固耦合交界面上的振动位移传递，并采用动网格技术得到考虑叶间相位角的网格文件，用于CFX中Junction Box模块的非定常计算流体力学分析，进而获得各叶间相位角的模态气动阻尼比，用于预测气弹稳定性。该基于流固耦合方法，充分利用了计算结构动力学和计算流体动力学的前沿技术，在每个子系统内保证了计算精度，而固定域和可动域的划分提高了计算效率。它在叶轮机械模拟技术领域具有良好的实用价值和广阔的应用前景。

主权项

1.叶轮机械计入叶间相位角的气弹稳定性流固耦合预测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：建立单扇区有限元模型；针对给定的实体模型在有限元软件MARC中建立叶轮机械的单扇区有限元模型；步骤二：对建立的有限元模型进行含预应力的模态分析；首先，将MARC中建立的有限元模型导入到有限元软件ANSYS中，定义相应的材料参数，并给定转速以及位移约束条件，通过静力分析得到离心力引起的预应力；然后，采用振型归一化的模态分析，并计入离心力引起的预应力，获得叶片的固有振动特性，提取叶片振动固有频率以及模态振型，得到固体域叶片表面的节点振幅；步骤三：建立计算流体力学模型；首先，通过给定的叶轮机械叶型数据，在计算流体力学仿真工具CFX的TurboGrid模块中建立叶栅的单通道流场模型，其中叶片表面附近为O型网格，其他区域为H型网格；然后，将建立的单扇区流场模型导入到ICEM CFD中，通过绕旋转轴旋转、复制(N-1)份网格得到全环叶栅模型，并输出流体域网格点和实体单元信息以及流体域各叶片表面网格点和表面单元信息；步骤四：采用数据传递方法获得插值到流体域叶片表面的振动位移；首先，基于恒定位置矢量差方法，采用有限单元法中局部坐标形式的形函数进行三维线性插值，将固体域中模态分析得到的第P阶模态对应的节点振动位移插值到流固耦合交界面上的表面单元网格点上，获得流体域中叶片表面网格点的振幅；然后，通过流体域中各叶片扇区之间的角度关系，即可依次逐个得到全环各叶片表面网格点的振幅；步骤五：采用动网格技术获得每一个叶片扇区的可动域网格点振幅；根据流体域中网格点编号顺序，对每一个叶片沿O型域网格的法向逐层递推搜索，得到与该叶片表面网格点编号顺序相同的各层网格点，并按照各层网格点与叶片表面网格点之间法向距离的比值大小来线性插值，得到该叶片可动域的网格点振幅；步骤六：获得非定常计算流体力学即CFD分析所需的考虑叶间相位角的网格文件；首先，将叶片一个振动周期分为K步，叶片以简谐规律振动，给定各叶片相对于第一个叶片的初始相位角，通过初始坐标以及各时间步的振动位移，可以得到一个周期内每一时间步上各叶片扇区可动域的坐标值；然后，通过固定域坐标值和每一时间步上各叶片扇区可动域的坐标值，可以得到一个周期内每一时间步的流体网格点坐标组成的网格文件；步骤七：采用CFX中Junction Box模块进行非定常分析；流场分析通过计算流体力学仿真工具CFX实现；首先，将步骤三建立的流场模型的网格点坐标值换成步骤六中获得的第一个时间步的网格点坐标值，对流场模型加载边界条件和初始条件；通道入口给定总温和总压，出口给定平均静压，轮缘、轮毂给定无滑移、光滑壁面边界条件，叶片表面给定动网格壁面边界条件；以叶片表面给定无滑移、光滑壁面边界条件的定常解作为非定常分析的初始条件；然后，指定叶片的振动模态以及振动幅值，其运动周期为固有频率的倒数，在每一个振动时间步上求解采用k-ε湍流模型封闭的Reynolds平均Navier-Stokes方程，并写出每一个求解时间步的瞬时结果文件；步骤八：获得各叶间相位角对应的模态气动阻尼比，预测振荡叶栅的气弹稳定性；首先，在不同叶间相位角情况下，根据一个稳定周期内各时间步的结果文件，基于等效粘性阻尼推导的模态气动阻尼比获得叶片一个振动周期的气动功和模态气动阻尼比；其中气动功是流场各网格点气动力在一个稳定振动周期内所做的总功；基于等效粘性阻尼推导的模态气动阻尼比公式为其中W为非定常气动力在一个周期内所做的气动功，q^aero为叶片的振动幅值；然后，通过不同叶间相位角情况下的模态气动阻尼比，判断某阶模态下某一工况的气弹稳定性，在各叶间相位角下，只要有某一个叶间相位角对应的模态气动阻尼比为负，则该阶模态下，该工况气弹失稳。