[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

说明书

(一)技术领域

本发明属于叶轮机械模拟技术领域，具体涉及基于能量法的一种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。

(二)背景技术

科学技术的进步使得叶轮机械的叶尖切线速度和压比等不断提高，导致风扇/压气机叶片气弹稳定性问题突显。随着叶轮机械向着大功率、高性能的发展，风扇/压气机叶片的工作条件越来越恶劣，叶尖切线速度越来越高，叶片的刚性相对越来越小，叶片发生气弹不稳定的可能性越来越大。国内外许多发动机均发生过风扇/压气机叶片的气弹稳定性故障，叶轮机械叶片气弹稳定性问题成为现代航空发动机设计所面临的主要难点之一。

20世纪80年代以来，随着计算机的发展和计算技术的进步，出现了数值方法，而计算流体力学的发展更进一步推动了振荡叶栅气弹稳定性问题的研究。目前，研究最多的数值方法主要为能量法和特征值法。由于叶轮机械内部的流场呈现着复杂的三维非定常特性，而且分离流动、旋转失速、激波、激波与附面层的相互干扰、激波与激波间的相互干扰等非线性因素的影响使得气动载荷很难用准确的函数来表达，通过特征值法来定量地准确描述气弹稳定性几乎不可能实现，因此，采用能量法能够很好地保证流场计算精度。

能量法忽略了流体和固体之间的相互作用而仅仅考虑固体振动对流场的影响，因此，分别对流体域和固体域单独求解，并通过发展的基于有限元形函数的概念实现流体域和固体域之间的数据传递，这也是气弹稳定性数值预测技术的关键。

另一方面，由于叶片的振荡会引起叶栅之间非定常流场的相互作用，对叶片气弹稳定性有很大的影响。早期对叶轮机械的气动弹性问题大多假设叶栅中的所有叶片均以相同的振幅振荡，并且不计叶间相位角的影响，但是随着对气动弹性研究的深入，发现叶间相位角是影响叶片气动弹性的一个相当关键的参数，它对叶片气弹稳定性起着重要的作用，而且实际叶片并不可能满足上述的假设。

因此，对于叶轮机械叶片气动弹性这样的流固耦合问题，有必要发展和完善适用于工程设计需求的气弹稳定性数值预测方法，并考虑叶间相位角等关键参数的影响。其中最大的困难是如何准确高效地实现流固耦合交界面上的数据传递，并在振荡叶栅中计入叶间相位角。目前还没有一项较为成熟的技术来预测计入叶间相位角影响的叶轮机械叶片的气弹稳定性。

(三)发明内容

本发明的目的是提供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，它解决了现有技术的不足。

本发明选择精度和效率平衡的能量法作为模型，它满足叶片小幅振动的假设，并且忽略流体对振动系统的影响，而仅仅考虑固体域对流体域的影响，能够降低计算成本。

本发明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，其具体步骤如下：

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；