大流量离心压缩机首级叶轮流固耦合数值模拟

论文摘要

叶轮机械是工业生产部门应用最为广泛的一类机械设备,其在航空、航天、石油、化工、能源、电力及国防等领域中发挥着无可替代的作用。随着科学技术的发展,叶轮机械正朝着高速、重载和自动化方向发展,这对叶轮机械在速度、容量、效率和安全可靠性等方面提出了越来越高的要求。当前对单一物理场的数值模拟已经很难满足叶轮机械的结构性能与可靠性等方面的要求。因此,叶轮机械的流固耦合(FSI)问题是流体机械领域中前沿热门的课题。大型离心压缩机是叶轮机械的重要组成部分,它是衡量一个国家重大装备制造业发展水平的标志性设备之一。鉴于大流量压缩机三元叶轮的结构特点,目前针对大流量离心压缩机叶轮的有限元分析已经越来越受到重视。本文以国内某大流量离心压缩机首级闭式叶轮为研究对象,运用大型有限元分析软件ANSYS的ANSYS Workbench Environment(AWE)多物理场协同CAE仿真环境进行了压缩机叶轮的流固耦合(FSI)问题的数值模拟与分析,同时也进行了模态分析。分析结果表明：本文压缩机叶片前缘区域受力变形最大、振动时振幅最大,进而发生局部共振的可能性最大。因此,在非定常气动力载荷以及其它激振力的长期作用下,很可能形成叶片前缘处的高周疲劳断裂。由于叶轮机械的流固耦合(FSI)问题是耦合问题最为复杂的一种,而且目前针对叶轮机械流固耦合问题的解决方案很少。因此,本文对大流量离心压缩机流固耦合问题的模拟分析,不仅对提高压缩机叶轮性能、结构强度与振动特性的设计水平,增强整机运行的可靠性与安全性,延长工作寿命有着重要意义,而且对其它叶轮机械(比如大型核主泵、汽轮机末级叶片、燃气轮机等)以及涉及到流固耦合问题的工程课题的深入研究具有很好的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 问题提出的背景和研究意义
• 1.2 流固耦合问题的研究与发展
• 1.2.1 国内外研究概况
• 1.2.2 流固耦合问题的研究进展
• 1.2.3 叶轮机械流固耦合问题的研究现状
• 1.3 多场耦合问题的分析软件
• 1.4 本文研究的主要内容
• 2 叶轮机械流固耦合数值模拟的相关理论
• 2.1 叶轮强度分析的基本理论
• 2.1.1 屈服条件
• 2.1.2 Tresca屈服准则
• 2.1.3 Mises屈服条件
• 2.1.4 两种屈服条件的区别
• 2.2 轮盘振动模态
• 2.2.1 轮盘振动的特点
• 2.2.2 轮盘振动的振型
• 2.2.3 轮盘振动的激振力
• 2.3 流场数值模拟相关理论
• 2.3.1 流动的基本方程
• 2.3.2 湍流模型
• 2.4 叶轮机械流固耦合的ALE方法与耦合模型
• 2.4.1 流固耦合的ALE方法
• 2.4.2 流固耦合问题的求解方法
• 2.4.3 叶轮机械流固耦合模型
• 2.5 ANSYS流固耦合问题的解决方案
• 2.6 本章小结
• 3 本文流固耦合流程及其数值分析
• 3.1 流固耦合问题的数值求解方法
• 3.2 本文叶轮的流固耦合分析流程
• 3.3 AWE的两种网格划分软件功能介绍
• 3.3.1 TurboGrid功能及特点
• 3.3.2 ICEM CFD功能及特点
• 3.4 本章小结
• 4 叶轮流固耦合问题的几何造型及网格划分
• 4.1 叶轮几何模型的创建
• 4.2 两种分析模型的网格划分
• 4.2.1 CFD的叶轮单通道网格划分
• 4.2.2 FEA的叶片及叶轮网格划分
• 4.3 本章小结
• 5 压缩机叶轮流固耦合的数值模拟及分析
• 5.1 压缩机叶轮内部流场的计算及分析
• 5.2 压缩机叶轮有限元方法计算及分析
• 5.2.1 有限元分析过程
• 5.2.2 压缩机叶片的流固耦合模拟及分析
• 5.2.3 压缩机叶轮的流固耦合模拟及分析
• 5.3 本章小结
• 6 压缩机叶轮的动力特性分析
• 6.1 压缩机叶轮的静态固有频率与振型分析
• 6.2 压缩机叶轮的动态固有频率与振型分析
• 6.3 本章小结
• 7 结论与展望
• 7.1 全文工作总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢