航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片強(qiáng)度計(jì)算及氣流場模擬.doc

航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子葉片強(qiáng)度計(jì)算及氣流場模擬摘要壓氣機(jī)是為航空發(fā)動機(jī)提供需要壓縮空氣的關(guān)鍵部分，由轉(zhuǎn)子和靜子等組成，其中轉(zhuǎn)子葉片是完成該功能的核心零件，在能量轉(zhuǎn)換方面起著至關(guān)重要的作用。葉片工作的環(huán)境比較惡劣，除了承受高轉(zhuǎn)速下的氣動力、離心力和高振動負(fù)荷外，還要承受熱應(yīng)力，所以在葉片設(shè)計(jì)之中，首先遇到的問題是葉片結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題，轉(zhuǎn)子葉片強(qiáng)度的高低直接影響發(fā)動機(jī)的運(yùn)行可靠性，葉片強(qiáng)度不足，可能會直接導(dǎo)致葉片的疲勞壽命不足，因此在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中必須盡量增大強(qiáng)度，以提高葉片疲勞壽命和可靠性。由進(jìn)氣道、轉(zhuǎn)子、靜子等組成的離心式壓氣機(jī)內(nèi)部流動通道是非常復(fù)雜的，由于壓氣機(jī)是發(fā)動機(jī)的主要增壓設(shè)備，其工作的好壞對發(fā)動機(jī)的性能有很大的影響。隨著現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算方法的大力發(fā)展，三維計(jì)算流體模擬軟件越來越多的被運(yùn)用到旋轉(zhuǎn)機(jī)械的內(nèi)部流場進(jìn)行數(shù)值分析。本文利用三維流體模擬軟件ANSYS系列軟件對壓氣機(jī)內(nèi)部的氣體流動性能進(jìn)行模擬，得到一些特征截面的壓力和速度分布情況。關(guān)鍵字：轉(zhuǎn)子葉片；強(qiáng)度計(jì)算；Fluent；軸流式壓氣機(jī)AbstractThe compressor is to provide compressed air for the needs of key parts of aero engine, the rotor and the stator, etc., wherein the rotor blades are core components to complete the function, plays a crucial role in the transformation of energy. The blade working environment is relatively poor, in addition to withstand high speed aerodynamics, centrifugal force and vibration in high load, to withstand greater thermal stress, so in the blade design, the first problem is the strength of the blade structure, the rotor blade strength directly affect the reliability of the engine, blade lack of strength, may directly lead to the fatigue life of the blade is insufficient, so the strength design must try to increase the strength, to improve the blade fatigue life and reliability.The internal flow passage of centrifugal compressor inlet, rotor and stator which is very complex, is mainly due to the high pressure equipment of the engine, has great impact on the performance of the quality of its work on the engine. With the development of computer and digital calculation method, 3D computational fluid simulation software has been applied to numerical analysis of internal flow field of rotating machines. In this paper, the fluid flow characteristics in the compressor are simulated by using a series of ANSYS software, and the pressure and velocity distributions of some characteristic sections are obtained.Keywords: rotor blade; strength calculation; Fluent; axial flow compressor目錄1 引言11.1課題介紹11.2研究方法11.2.1 直接計(jì)算法11.2.2 有限元分析法22轉(zhuǎn)子葉片22.1葉身結(jié)構(gòu)32.2榫頭結(jié)構(gòu)52.3葉片截面的幾何特征73葉片強(qiáng)度計(jì)算103.1葉片受力分析103.2離心拉應(yīng)力計(jì)算103.3離心彎應(yīng)力計(jì)算123.4氣流彎應(yīng)力計(jì)算153.5葉片熱載荷183.6榫頭強(qiáng)度計(jì)算194壓氣機(jī)內(nèi)氣流場的模擬214.1Fluent軟件介紹214.2 雙向流固耦合224.3模型建立234.3.1實(shí)體模型的建立234.3.2ICEM CFD網(wǎng)格劃分274.3.3相關(guān)條件的設(shè)置284.4運(yùn)行結(jié)果和分析294.4.1速度計(jì)算和分析294.4.2壓力場計(jì)算和分析315結(jié)束語33【參考文獻(xiàn)】34致 謝35附錄1 相關(guān)英文文獻(xiàn):36附錄2 英文文獻(xiàn)中文譯文:501 引言1.1 課題介紹壓氣機(jī)是用來提高進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)的空氣壓力，提供發(fā)動機(jī)工作時所需要的壓縮空氣，也可以為座艙增壓、渦輪散熱和其他發(fā)動機(jī)的啟動提供壓縮空氣1。其中轉(zhuǎn)子的主要組成部分轉(zhuǎn)子葉片是完成該功能的核心零件。轉(zhuǎn)子葉片工作在比較惡劣的環(huán)境中：它的轉(zhuǎn)速大，可以高達(dá)每分鐘數(shù)千轉(zhuǎn)或者數(shù)萬轉(zhuǎn)，因此承受很大的離心負(fù)荷；轉(zhuǎn)子葉片處于發(fā)動機(jī)進(jìn)口處，易被從空氣中吸入的外來物（金屬類、砂石類、軟物體類）撞擊形成損傷；空氣中往往會攜帶沙塵，這些沙塵會對葉片表面進(jìn)行磨蝕，對葉片造成損害，使葉片葉身減薄，弦長減短。壓氣機(jī)的類型一般可以分為三類：軸流式、離心式和混合式，本文研究的是軸流式壓氣機(jī)。葉片的制造和加工技術(shù)對壓氣機(jī)的工作效率及安全可靠性起著很重要的影響，壓氣機(jī)工作葉片是航空發(fā)動機(jī)的事故頻發(fā)的罪魁禍?zhǔn)?，葉片的故障可以占總故障的40%以上。壓氣機(jī)葉片強(qiáng)度設(shè)計(jì)包括葉片靜強(qiáng)度、振動特性、蠕變/應(yīng)力斷裂壽命等。由于壓氣機(jī)高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力很大，榫頭的強(qiáng)度不夠，復(fù)雜的幾何形狀造成的表面不連續(xù)性，再加上安裝時產(chǎn)生的誤差，可能造成葉片松動，在嚴(yán)重時葉片脫落，輕者損壞壓氣機(jī)，重者造成整機(jī)的破壞。蠕變會引起塑性變形，一旦變形量超過葉片和機(jī)匣之間的徑向間隙，就會使葉片和機(jī)匣相碰，導(dǎo)致葉片損壞。氣流力會直接作用在工作葉片上，由于氣流力是脈動的，這種脈動的性質(zhì)就會使葉片發(fā)生振動。如果在發(fā)生共振現(xiàn)象時，葉片會發(fā)生疲勞斷裂。氣流力在葉片截面中產(chǎn)生的彎應(yīng)力也會造成葉片的失效。在葉片設(shè)計(jì)之中，首先遇到的問題是葉片結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問題，葉片強(qiáng)度不足，可能會直接導(dǎo)致葉片的疲勞壽命不足，因此在強(qiáng)度設(shè)計(jì)中必須盡量增大強(qiáng)度，以提高葉片疲勞壽命和可靠性。本論文在了解并學(xué)習(xí)壓氣機(jī)及轉(zhuǎn)子葉片的相關(guān)知識基礎(chǔ)上，分別求解出葉身的離心拉應(yīng)力、離心彎應(yīng)力、氣流彎應(yīng)力的大小以及計(jì)算出榫頭的強(qiáng)度大小，并分析出在高溫環(huán)境中葉片所產(chǎn)生的熱力應(yīng)變情況；同時采用軟件仿真的方法，對壓氣機(jī)內(nèi)部的流場進(jìn)行模擬，以分析出壓氣機(jī)內(nèi)部流體的流動情況。這對在設(shè)計(jì)中增大強(qiáng)度具有指導(dǎo)意義。1.2 研究方法通過查閱大量資料，進(jìn)行相關(guān)文獻(xiàn)資料的搜集工作，了解轉(zhuǎn)子葉片技術(shù)的現(xiàn)狀。對于葉片和內(nèi)部氣流場的分析，分別采用直接計(jì)算和有限元分析的方法對葉身和榫頭并進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，以及對壓氣機(jī)內(nèi)部流場進(jìn)行模擬，以分析內(nèi)部氣體流動情況。1.2.1 直接計(jì)算法這是一近似的求解受力大小的方法。具體就是把葉片簡化為懸臂梁，在通過各種力學(xué)公式和定理進(jìn)行計(jì)算，以得出受力大小及分布的結(jié)果。葉片工作的時候，葉片承受著氣流的反作用力、葉片高速旋轉(zhuǎn)所引起的離心力以及由溫度變化所引起的熱應(yīng)力。1.2.2 有限元分析法今年來，隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升，以及數(shù)字計(jì)算方法的不斷改進(jìn)，這都使得有限元分析軟件在壓氣機(jī)葉片研究方面得到充分利用。本課題采用ANSYS和FLUENT在Workbench中進(jìn)行流固耦合（fluid solid interaction,簡稱FSI）模擬分析。流固耦合模擬分析方法是指在模擬計(jì)算時候同時考慮相互作用力的分析方法。在實(shí)際的物理場中，流體的高壓使得固體發(fā)生變形，而固體的變形進(jìn)一步影響流場的流動狀態(tài)，兩者相互作用影響，共同決定了最終的物理狀態(tài)。FSI按照載荷的施加方式的不同，可以分為兩種：第一種就是單向流固耦合（Uni-Directional FSI），這種方法就是只著重考慮其中一種物理場對另一物理場的作用，而忽略后者的反作用；另外一種就是雙向流固耦合（Bi- Directional FSI），在將流體的載荷施加在固體上后，再將固體的變形參數(shù)迭代到下一步的流體計(jì)算中，整個過程不斷的反復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到最終的收斂目標(biāo)。為了更好的對內(nèi)流場的流動情況進(jìn)行模擬，根據(jù)壓氣機(jī)內(nèi)部的施加情況，即空氣的物理狀態(tài)的分析是流體力學(xué)，而葉片的結(jié)構(gòu)變形是彈塑性力學(xué)，因此同時考慮流體和固體的耦合求解方式可以獲得更加準(zhǔn)確，更加符合實(shí)際情況的計(jì)算結(jié)果。因此采用的雙向流固耦合分析方式進(jìn)行內(nèi)流場的模擬分析。2轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)子葉片又稱動葉，是隨同轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)的葉片，通過葉片的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)氣流與轉(zhuǎn)子間的能量轉(zhuǎn)換與氣流方向改變的重要零件，它直接影響壓氣機(jī)的氣動性能、工作可靠性、重量及成本等。在軸流式壓氣機(jī)中，葉片以環(huán)狀排列在氣流通道內(nèi)組成葉柵，每一圈的葉片就被稱為一級工作葉片，每級葉片數(shù)目由幾十片不等，隨著壓氣機(jī)的級數(shù)的增加，一臺航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)上有幾百到上千片不等的葉片，例如WJ6發(fā)動機(jī)一共有10級，轉(zhuǎn)子葉片共有458片，靜子葉片共有620片。轉(zhuǎn)子葉片承受很大的離心力、較大的氣動力和振動載荷，同時還要在一定的溫度狀態(tài)下工作，承受一定的熱負(fù)荷。因此轉(zhuǎn)子葉片是直接影響發(fā)動機(jī)性能、可靠性和壽命的關(guān)鍵零件。轉(zhuǎn)子葉片的設(shè)計(jì)、材料選擇和制造都有十分嚴(yán)格的要求，如葉身須保持準(zhǔn)確的氣動外形和很光滑的表面，材料內(nèi)部不允許有缺陷，晶粒不得過大等。葉片由葉身與榫頭兩部分組成。葉身是葉片在氣流通道內(nèi)帶有葉型的部分，榫頭是葉片安裝在葉輪上的部分。圖1 等截面轉(zhuǎn)子葉片2.1葉身結(jié)構(gòu)工作葉片的可靠性的依賴之一就是葉片本身葉型，當(dāng)葉片工作時候，葉片上就作用有巨大的離心力、氣動力、溫差應(yīng)力以及振動負(fù)荷。例如RB211的渦扇發(fā)動機(jī)中，每片風(fēng)扇葉片的離心力高達(dá)550KN，因此需要有足夠的強(qiáng)度。為了滿足氣動、強(qiáng)度以及加工方面要求，工作葉片的葉身一般都是由適應(yīng)亞音速和超音速的工作的型面，按照一定的扭向規(guī)律及型面重心分布規(guī)律，沿葉高重疊而成，為了盡量的減輕重量，葉尖的弦長要比根部的低，厚度要比根部薄。在葉片較長的情況下，為了抑制發(fā)生危險(xiǎn)的共振或者顫振，葉生中常常會帶有一個減振凸臺，但是由于減振凸臺的存在，不可避免的增加葉片的重量和減少空氣質(zhì)量流量等缺點(diǎn)。為了減輕重量但不減弱葉片的強(qiáng)求，采用了將鈦蒙皮粘合在鈦蜂窩骨架上的結(jié)構(gòu)。這種采用了蜂窩骨架結(jié)構(gòu)的寬弦風(fēng)扇葉片比帶凸臺的窄弦風(fēng)扇葉片，具有更大的葉柵流道面積，更好的減振性能以及更高的及效率等優(yōu)點(diǎn)。 圖2 帶減振凸臺的轉(zhuǎn)子葉片圖3 蜂窩骨架結(jié)構(gòu)在壓氣機(jī)流道中，由于在不同的半徑上，圓周速度是不同的，因此在不同的半徑基元級中，氣流的攻角相差極大，在葉尖、由于圓周速度最大，造成很大的正攻角，結(jié)果使葉型葉背產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流分離；在葉根，由于圓周速度最小，造成很大的負(fù)攻角，結(jié)果使葉型的葉盆產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流分離。因此，對于直葉片來說。除了最近中徑處的一部分還能工作之外，其余部分都會產(chǎn)生嚴(yán)重的氣流分離，也就是說，用直葉片工作的壓氣機(jī)，其效率極其低劣的，甚至?xí)_(dá)到根本無法運(yùn)轉(zhuǎn)的地步。所以葉片采用扭曲的。亞音速壓氣機(jī)級的葉型常采用按一定氣動要求彎曲的葉型，超音速與跨音速風(fēng)扇或壓氣機(jī)級采用雙圓弧、多圓弧或 S葉型。葉片按照截面的不同可以分為等截面和變截面兩種，當(dāng)Dml10（式中：Dm是級的平均半徑，l是葉高）的時候就認(rèn)為是等截面葉片，等截面葉片的截面沿葉高相同，有加工簡單的優(yōu)點(diǎn)，但是強(qiáng)度較差。當(dāng)Dml10時，氣流可視為均布力（實(shí)際作用在葉片的力是分布載荷，對于Dml10的葉片，氣流力和速度沿葉高變化不大），其均布載荷為q=Pl,距離葉片底部界面為x的截面彎矩為Mx=q(l-x)22,底部截面彎矩為M=Pl2（危險(xiǎn)截面），兩個慣性主軸方向的彎矩為：M1=Fl2cosM2=Fl2sinM1和M2在葉片截面進(jìn)氣邊、出氣邊和背部上產(chǎn)生的彎應(yīng)力分別為：（注意符號）出=M1W1+M2W2=M1e1I-+M2e2I-進(jìn)=M1W1-M2W4=M1e1I-M2e4I-背=-M1W1=-M1e3I-W1和W3：進(jìn)出氣邊和背部對最小慣性軸的截面系數(shù)，W2和W4：出氣邊和進(jìn)氣邊對最大主慣性軸的截面系數(shù)。當(dāng)Dml10時，氣流力不可視為均布力：圖19Mx=x1lqxx-x1dx可用上式求得危險(xiǎn)出的截面的彎矩，若q(x)無法用分布規(guī)律求得解析式，可用數(shù)值積分的方法。3.5葉片熱載荷當(dāng)彈性體的溫度變化時，其體積將趨于膨脹和收縮，若外部的約束或內(nèi)部的變形協(xié)調(diào)要求而使膨脹或收縮不能自由發(fā)生時，結(jié)構(gòu)中就會出現(xiàn)附加的應(yīng)力。這種因溫度變化而引起的應(yīng)力就被稱為熱應(yīng)力，或者溫度應(yīng)力。例如WP13發(fā)動力，基本參數(shù)增壓比c為8.8，而整個壓氣機(jī)壓縮空氣的過程可以看成是絕熱過程，則多變指數(shù)K為1.4。在常溫下T1為293.15K下，進(jìn)口壓力P1，出口壓力P2，壓氣機(jī)的出口溫度T2為：P2P1=cT2T1=(P2P1)K-1KT2=T1(P2P1)K-1K=293.15(8.8)1.4-11.4=545.69K由此可以看出該型號壓氣機(jī)的最高工作溫度比較低。在發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工作的時候，轉(zhuǎn)子工作葉片的溫差較小，相應(yīng)的熱應(yīng)力也較小，那么相對于轉(zhuǎn)子葉片的材料來說，通常葉身的熱應(yīng)力可以忽略不計(jì)。3.6榫頭強(qiáng)度計(jì)算榫頭部分承受離心力，并在轉(zhuǎn)動過程中承受著擠壓力，彎矩和轉(zhuǎn)矩。對于周向安裝的榫頭還承受相鄰兩側(cè)榫頭的反作用力。計(jì)算榫頭時，作用在榫頭第一對徑向支承面以上部分的力，不考慮榫頭間的作用力，僅考慮離心力和氣流力。本文以樅樹型榫頭研究。圖20以FC表示整個葉片的離心力。由于榫頭的在徑向的尺寸不大，各受力面所承受的達(dá)可以看出一樣的。既按各齒受力相等的條件計(jì)算每個齒上的作用力P，其數(shù)值為：P=Fc2ncos2式中 2n齒數(shù)； 樅樹榫頭的椎型角；FC= FC+ FC0 +FCZ1 FC葉片型線部分的離心力； FC01-1截面以上榫頭部分離心力； FCZ11-1截面以下榫頭部分離心力。接下就需要求出各榫齒截面的離心拉應(yīng)力。榫頭1-1截面上的離心拉應(yīng)力為：t1=Fc+Fc0b1l1榫頭2-2截面上的離心拉應(yīng)力為：t2=Fc+Fc0+Fc1-2Pcos2b2l2=Fc+Fc0+Fc1-Fcnb2l2式中 C1截面1和2之間榫頭部分的離心力。按照以上進(jìn)行歸納，就可以得出榫頭的第i截面上的離心拉應(yīng)力為：ti=Fc+Fc0+i=2iFci-i-1nFcb2l2 式中 i=2iFci 榫頭i截面到1截面之間的榫頭部分離心力；i截面序號；bi、li第i截面榫頭的寬度、厚度。在實(shí)際的榫齒應(yīng)力計(jì)算的時候，一般采用使一下公式進(jìn)行計(jì)算。齒的彎曲應(yīng)力：bd=K2Pbm式中 K2彎曲應(yīng)力系數(shù)； b榫齒的長度；m齒厚齒的擠壓應(yīng)力：cr=K1Pbm式中 K1彎曲應(yīng)力系數(shù)； b榫齒的長度；m齒厚齒的剪切應(yīng)力：=K3Pbm式中 K3彎曲應(yīng)力系數(shù)； b榫齒的長度；m齒厚4壓氣機(jī)內(nèi)氣流場的模擬4.1Fluent軟件介紹隨著高速計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，各種數(shù)學(xué)模型的完善和數(shù)值算法的更新，計(jì)算流體力學(xué)的技術(shù)得到迅速發(fā)展，在科學(xué)研究和實(shí)際工程中己經(jīng)越來越受到現(xiàn)代科技界和工程界的重視。世界各發(fā)達(dá)國家在國防、航空航天、交通運(yùn)輸、冶金和化工、能源和環(huán)境、生物、氣象、農(nóng)業(yè)等各種不同的工程領(lǐng)域都開始了廣泛利用計(jì)算流體力學(xué)的知識對各種過程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬的工作，以計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)己進(jìn)入實(shí)用階段。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，各種CFD軟件不斷出現(xiàn),這些軟件在不同的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中取得了很大的成功。CFD軟件主要分為以下兩大類一類是專用CFD軟件，如FLIENT、FIDAP、CFX都是這樣的軟件。這些軟件的分析功能很強(qiáng)，適用的范圍也比較廣，可以調(diào)節(jié)的細(xì)節(jié)也比較多，有一定的二次開發(fā)功能,如FLUENT中的UDF（User-Defined Function，用戶自定義函數(shù)），可用于流體機(jī)械、鋼鐵及玻璃工業(yè)、宇航等領(lǐng)域。另一類是大型的有限元分析軟件含有分析模塊的，如ANSYS，ANSYS是目前國內(nèi)用得很廣泛的有限元分析軟件,其的嵌套單元可以提供比較完整的分析功能。本課題是利用Fluent。Fluent通用CFD軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內(nèi)的復(fù)雜流動。由于采用了多種求解方法和多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù)，因而Fluent能達(dá)到最佳的收斂速度和求解精度。靈活的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和基于解的自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)及成熟的物理模型，使Fluent在轉(zhuǎn)捩與湍流、多相流、動/變形網(wǎng)格等方面有廣泛應(yīng)用。 Fluent軟件采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的有限體積法，而且具有基于網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格單元的梯度算法。 Fluent軟件中的動/變形網(wǎng)格技術(shù)主要解決邊界運(yùn)動的問題，只需指定初始網(wǎng)格和運(yùn)動壁面的邊界條件，余下的網(wǎng)格變化完全由解算器自動生成。具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格、混合網(wǎng)格、動/變形網(wǎng)格以及滑動網(wǎng)格等。 Fluent軟件包含三種算法：非耦合隱式算法、耦合顯式算法、耦合隱式算法，是商用軟件中最多的。 Fluent軟件包含豐富而先進(jìn)的物理模型，使得用戶能夠精確地模擬無粘流、層流、湍流。湍流模型包含Spalart-Allmaras模型、k-模型組、k-模型組、雷諾應(yīng)力模型(RSM)組、大渦模擬模型(LES)組以及最新的分離渦模擬(DES)和V2F模型等。適用于牛頓流體、非牛頓流體。具有自由表面流模型，歐拉多相流模型，混合多相流模型，顆粒相模型，空穴兩相流模型，濕蒸汽模型。 4.2 雙向流固耦合雙向流固耦合（Bi- Directional FSI），在將流體的載荷施加在固體上后，再將固體的變形參數(shù)迭代到下一步的流體計(jì)算中，整個過程不斷的反復(fù)進(jìn)行，直到達(dá)到最終的收斂目標(biāo)的一種模擬方法。這種方法可以較好的同時考慮到兩個物理場之間的相互作用和影響。這種方法在運(yùn)算的過程中的一般流程如圖22。圖22 ANSYS和FLUENT耦合求解流程ANYSY和FLUENT是通過ANSYS Workbench這個專門用于協(xié)同仿真的平臺進(jìn)行耦合分析。ANSYS Workbench是可以讓用戶可以根據(jù)本企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)流程將這些拆散的技術(shù)重新組合，并集成為具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，形成既能夠充分滿足自身的分析需求，又充分融入產(chǎn)品研發(fā)流程的仿真體系。雙向耦合的實(shí)現(xiàn)是依靠System Coupling插件，把流體作用在固體上的力，通過Workbench中的System Coupling運(yùn)算插件傳遞到固體上去，以計(jì)算固體受到流體作用力的影響。由于流體的作用，固體將產(chǎn)生一定的變形，這些變形將會計(jì)算完固體以后，再把固體產(chǎn)生的變形，返回到流體中去，以計(jì)算流體所受的影響。以此方式來實(shí)現(xiàn)葉片和空氣的雙向耦合模擬的。在Workbench中建立起來的雙向耦合的標(biāo)準(zhǔn)流程見圖23。圖23 雙向FSI標(biāo)準(zhǔn)WB流程4.3模型建立有限元分析（FEA，F(xiàn)inite Element Analysis）利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進(jìn)行模擬。還利用簡單而又相互作用的元素，即單元，就可以用有限數(shù)量的未+6 知量去逼近無限未知量的真實(shí)系統(tǒng)。有限元分析是用較簡單的問題代替復(fù)雜問題后再求解。它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對每一單元假定一個合適的（較簡單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個域總的滿足條件（如結(jié)構(gòu)的平衡條件），從而得到問題的解。這個解不是準(zhǔn)確解，而是近似解，因?yàn)閷?shí)際問題被較簡單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高，而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。對流體機(jī)械內(nèi)部進(jìn)行有限元分析的第一步就是建立實(shí)體模型，實(shí)體模型的建立不是簡單的幾何畫圖，而是要考慮到幾何模型是用來生成有限元網(wǎng)格的，因此要根據(jù)將生成的有限元網(wǎng)格的需要進(jìn)行幾何建模。由于整個壓氣機(jī)內(nèi)流場相當(dāng)復(fù)雜扭曲，流場具備三維特征，為了準(zhǔn)確的體現(xiàn)出氣流的詳細(xì)情況，建立三維模型。4.3.1實(shí)體模型的建立葉片的三維實(shí)體模型的建立是本課題的一個難點(diǎn)，同樣也是本課題的一個重點(diǎn)。由于沒有葉片的圖紙以及具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，這些都給葉片的建模帶來了相當(dāng)大的困難。所以本模型基本采用的是參數(shù)估計(jì)的模型進(jìn)行繪制，由于本課題是進(jìn)行定性分析，只是研究規(guī)律，所以估計(jì)的參數(shù)對規(guī)律分析影響不大。對于轉(zhuǎn)子葉身的模型建立，由于葉身采用的是扭曲的變截面構(gòu)造，最頂部的截面和最底部的截面各異，而且隨著葉身的上升逐漸扭曲。所以直接設(shè)定最上層和最下層截面的基本參數(shù)，然后兩層截面的沿著X軸上升為126.5mm的高度，通過改變安裝角的大小來形成扭曲。由此來構(gòu)件變截面扭曲的葉片，其基本參數(shù)為：截面位置底部截面頂部截面安裝角030弦長L44.3mm44.3mm最大厚度R317mm17mm前圓半徑r12.5mm2.2mm后圓半徑r21.1mm0.9mm表1 截面基本參數(shù)按照上述參數(shù)，使用pro/e進(jìn)行繪制的模型為圖22。圖22 變截面扭曲葉身對于樅樹型的榫頭模型建立，其的數(shù)據(jù)是根據(jù)HB5965-2002樅樹形榫頭、榫槽尺寸標(biāo)注與技術(shù)要求中的要求進(jìn)行設(shè)定的，建立的三維實(shí)體模型見圖23所示。圖23 樅樹型榫頭在只有轉(zhuǎn)子葉片還不能有效的壓氣，簡單說，空氣經(jīng)過轉(zhuǎn)子葉片后運(yùn)動方向不單是軸向前進(jìn)，還沿著轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)的方向運(yùn)動。這會使下級轉(zhuǎn)子葉片的壓縮效率大大降低。倘若這樣一級級下去，壓氣機(jī)內(nèi)的空氣變成跟著轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的氣團(tuán)，根本無法正常壓氣。在兩級動葉之間裝上一組靜止的葉片（簡稱靜葉）靜子葉片是將氣流在轉(zhuǎn)子葉片中獲得了動能轉(zhuǎn)換成壓力能，對進(jìn)過轉(zhuǎn)子葉片所加壓的紊亂的氣流，進(jìn)行整流的作用，以使其適應(yīng)下一級動葉的入口條件。同樣，由于靜子葉片的設(shè)計(jì)圖紙和設(shè)計(jì)參數(shù)的不完整，所以本課題中的設(shè)計(jì)參數(shù)是參照轉(zhuǎn)子葉片的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定的。結(jié)構(gòu)采用是等截面不扭曲，其基本參數(shù)為：葉片名稱靜子葉片安裝角30弦長L44.3mm最大厚度R317mm前圓半徑r12.5mm表2 靜子葉片截面參數(shù)按照以上參數(shù)建立的模型見圖24.圖24 靜子葉片在壓氣機(jī)中某一級中，由轉(zhuǎn)子葉片旋轉(zhuǎn)一周所圍成氣流通道的直徑為453mm，葉片的數(shù)量18片，靜子葉片的數(shù)量為20片，見圖25和圖26。由于本課題所采用的是TC4鈦合金，可以查閱相關(guān)的資料得知其具有的基本特性參數(shù)，特性表見下：材料名稱TC4鈦合金溫度0500密度4500Kg/m3泊松比0.34彈性模量110GPa膨脹系數(shù)7.8910-6-1熱導(dǎo)率7.9555N/m*k表3 葉片材料參數(shù)圖25 靜子葉片組成圖26 轉(zhuǎn)子葉片組成4.3.2ICEM CFD網(wǎng)格劃分網(wǎng)格的作用在于將空間連續(xù)的計(jì)算區(qū)域分割成足夠小的計(jì)算區(qū)域。這樣就可以在每一個計(jì)算區(qū)域上應(yīng)用流體控制方程，并進(jìn)一步求解所有區(qū)域的流體計(jì)算方程，最終獲得整個計(jì)算域上的物理量分布。ICEM CFD作為一款前處理，可以生成較多類型的網(wǎng)格。在ICEM CFD中通?？梢园丫W(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格兩種，其中結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格包含四邊形和六面體，而非機(jī)構(gòu)化網(wǎng)格包含三角形和四面體等。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有幾何的靈活性，對任何復(fù)雜的區(qū)域具有適應(yīng)性，而且可以對已經(jīng)產(chǎn)生的網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)加密，同時具有自動化程度高的優(yōu)點(diǎn)，所以目前運(yùn)用比較廣泛。四面體網(wǎng)格采用的是基于8叉樹算法的生產(chǎn)技術(shù)，故能夠進(jìn)行網(wǎng)格的快速高效生成，且能夠合并到混合網(wǎng)格中，并實(shí)施體積網(wǎng)格和表面網(wǎng)格的平滑、節(jié)點(diǎn)合并和邊交換操作，在進(jìn)行模型建立的快速和算法的快速，其建模速度能夠高達(dá)1500cell/s。 結(jié)合到本課題的復(fù)雜模型，故采用了非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格四面體。然后使用ICEM CFD進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，實(shí)際網(wǎng)格圖見圖27和圖28。圖27 流域處的網(wǎng)格視圖在該流域的網(wǎng)格劃分中，設(shè)置的基本單元尺寸為0.064m，總共得到了92175個單元和19847個節(jié)點(diǎn)。圖28 轉(zhuǎn)子和靜子的網(wǎng)格劃分視圖在該固體的網(wǎng)格劃分中，設(shè)置的基本單元尺寸為0.012m，總共得到了33977個單元和67267個節(jié)點(diǎn)。4.3.3相關(guān)條件的設(shè)置在FLUENT中再對旋轉(zhuǎn)機(jī)械流動問題的分析時候，對網(wǎng)格的處理方式提供了四種：其中一種是采用多參考系模型（MRF），這是最簡單的多運(yùn)動參考系模型，在該模型下的計(jì)算域網(wǎng)格不會發(fā)生相對運(yùn)動；第二種是混合面模型（MPM），在該模型下每一個流體域都被當(dāng)做是最穩(wěn)態(tài)問題進(jìn)行求解，相鄰的流體域間的流場數(shù)據(jù)在混合面上進(jìn)行空間平均或混合后進(jìn)行傳遞；第三種是滑移網(wǎng)格模型（SM），這種模型只有當(dāng)分界面兩側(cè)的相互作用不可忽略，導(dǎo)致MRF和MPM不可進(jìn)行求解時采用；第四種是動網(wǎng)格模型（DMM），這種模型可以用于模擬流體域邊界隨時間改變的問題。結(jié)合本課題所進(jìn)行的轉(zhuǎn)子、靜子和流體的雙向流固耦合分析，采用動網(wǎng)格模型最接近于實(shí)際的流動，只是這種模型需要消耗巨大的計(jì)算機(jī)資源和時間，也就需要性能更加強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)。在FLUENT中，壓氣機(jī)的進(jìn)出口氣流方向均為軸向，氣流為穩(wěn)態(tài)流，在第二部分的流域中施加60000r/min的轉(zhuǎn)速條件，由于空氣的流速較高，在計(jì)算中忽略重力對流場的影響。計(jì)算的模型選擇為RNG k-e湍流模型（Viscous- RNG k-e），對壁面的處理函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（Standard Wall Fn），求解算法為SIMPLEC，在二階迎風(fēng)格式下進(jìn)行求解運(yùn)算。FLUENT中，需要對流體域的邊界條件進(jìn)行設(shè)置。邊界名邊界條件值氣流入口Velocity-inlet50m/s氣流出口Pressure outlet202650Pa氣流邊界Wall流固接觸面Wall第一流域出口Interface第二流域進(jìn)口Interface表4 邊界條件設(shè)置在ANSYS中，對轉(zhuǎn)子和靜子進(jìn)行求解參數(shù)設(shè)置時候，首先設(shè)置的是載荷和約束的設(shè)置。在進(jìn)行約束的時候，需要分別對轉(zhuǎn)子葉片坐在的葉輪、靜子葉片進(jìn)行設(shè)置。由于要對葉輪施加1000r/s的轉(zhuǎn)動負(fù)載（joint load），但是在施加轉(zhuǎn)動負(fù)載之間先得加載一個轉(zhuǎn)動副（joint），以確定轉(zhuǎn)動軸的位置。由于靜子是固定不變的，為了防止靜子葉片移動，所以多靜子葉片的葉底施加的固定面約束（Fixed Support），葉片的榫頭與葉輪的榫槽的接觸面就采用默認(rèn)的接觸方法。在約束設(shè)置完畢以后，隨即進(jìn)行載荷的添加，由于轉(zhuǎn)子是要?dú)鈩恿Φ妮d荷。所以對轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片的氣動力的施加，是通過其所設(shè)置的流固耦合面（Fluid Solid Interface）進(jìn)行添加的。在System Coupling中，只要進(jìn)行的是時間步長和結(jié)束時間以及耦合面的設(shè)置，時間步長設(shè)置為0.000001s，結(jié)束時間設(shè)置為0.001s。然后分別把流體域中分別于轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片接觸的面設(shè)置為耦合面，這面就可以把流體中轉(zhuǎn)子葉片和靜子葉片表面的壓力值通過耦合面?zhèn)鬟f到ANSYS中，形成對固體所加的載荷。這樣由于氣動力的影響所造成的變形，可以同樣通過耦合面?zhèn)鬟f到流體域計(jì)算中進(jìn)行迭代計(jì)算。4.4運(yùn)行結(jié)果和分析結(jié)果數(shù)據(jù)可以通過CFD-POST很方便的畫出各種圖形，便于研究。本課題主要考慮以下幾個方面：其一是速度的分布圖；其二是壓力的分布圖。4.4.1速度計(jì)算和分析壓氣機(jī)某級的在Z=0.14處的速度云圖如圖29、在Z=-0.04處的速度云圖如圖30以及整個通道內(nèi)的速度分布全貌如圖31所示，從中可以看出，整個通道內(nèi)的速度分布相當(dāng)?shù)膹?fù)雜，無論是沿徑向還是周向的速度都是分布不均勻的。從圖29和圖30可以看出在整個截面上，速度大體上是沿著徑向向外逐漸有減小的趨勢的，從圖29、圖30和圖31可以看出在軸向是逐漸降低的。壓氣機(jī)在軸向上的速度變化可以從圖31中看出，當(dāng)流體在進(jìn)過轉(zhuǎn)子葉片的時候，由于轉(zhuǎn)子截面的