燃烧室热-声-固耦合数值模拟研究

为减少NO_x等污染物的排放,现代燃气轮机多采用贫油预混燃烧技术,由此产生较为突出的燃烧振荡与燃烧室结构疲劳问题。应用有限元软件建立燃烧室数值模型优化燃烧室模型网格;对比分析进气速度対数值模拟结果的影响;运用单向耦合与双向耦合方法计算分析了燃烧室热-声-耦合特性。研究表明:网格质量在一定程度上影响计算精度,进气速度对数值模拟结果影响较大;相对于声压载荷,热载荷对结构固有频率和振型影响较大,特别是在高频段;双向耦合较单向耦合数值模拟结果与实际情况更为接近。热-声-固耦合分析方法对发动机燃烧震荡机理研究及其抗热-声-固耦合疲劳设计具有应用参考价值。     

基于热-流-固耦合的航空发动机尾气采样装置设计

为满足当前国际社会对于航空发动机排气污染物的严格要求,需要在航空发动机高温、高速尾流场中采集排气污染物并进行组分浓度测量。在使用地面试车台开展某新型低冰点燃料尾气排放特性测量试验时,针对所用发动机排气温度较高的问题,设计了三种带水冷的尾气采样装置方案,并通过热-流-固耦合方法对三种方案的冷却效果和结构强度进行分析。计算结果表明,冷却水进口压力为0.3 MPa时,方案1采样装置表面最高温度超过1600 K,冷却效果无法满足设计要求;方案2采样装置最高温度约840 K,方案3最高温度约1240 K,冷却效果均能满足要求。对方案3进行静强度分析,其静强度安全系数为3.34,具有足够的安全裕度。使用所设计的采样装置成功完成该型燃料尾气成分测量试验,验证了所采用的设计方法的可靠性,可以为提高现有尾气采样装置设计能力提供参考。     

小型航空Wankel发动机转子结构优化仿真

三角转子是小型航空Wankel转子发动机的核心部件,其高速旋转过程中承受着温度、惯性力和燃气爆发压力等复杂载荷耦合作用,更加容易因强度不足发生失效与破坏。针对多重载荷耦合工况下,三角转子应力集中与强度问题,建立发动机热力学模型,获得发动机单循环内燃烧室缸温、缸压以及换热系数变化曲线,计算转子各处热边界条件,分别在机械应力、热应力与热 机械耦合条件下,采用有限元的方法对三角转子进行温度场、应力场与变形量仿真分析,并提出转子腰部圆孔边缘处加工圆角和冷却孔处布置散热片优化方法。仿真结果表明：优化后三角转子最大应力由原来的687.0 MPa下降为403.9 MPa,约为原来的58.79%;转子腰部圆孔边缘应力由577.5 MPa下降为306.1 MPa,降低为原来的53.02%;冷却孔处应力值也由212.6 MPa降至113.2 MPa,约为原来的53.25%。布置散热片后,转子平均温度下降20 K以上,转子腰部圆孔边缘与冷却孔温度下降40 K左右,密封槽尖端变形量由0.21 mm降至0.15 mm,减小27.7%。转子应力场得到改善,变形量减小。     

离心压缩机叶轮叶片疲劳断裂故障的数值分析

采用有限元方法计算了离心压缩机叶轮叶片的前14阶模态和离心力作用下的静应力,并采用单向流固耦合方法计算了叶轮叶片在非定常气动力载荷下的等效交变应力．为了节省计算成本,离心叶轮采用满足循环对称条件的单扇区模型．计算结果表明：非定常气动力载荷的主频率落入叶轮叶片第6阶固有频率的共振区,导致在叶轮叶片的前缘附近区域形成局部共振,使该区域的等效应力最大;离心叶轮叶片在离心力和非定常气动力共同作用下形成的交变应力小于工作条件下的屈服应力,不会形成叶片的塑性破坏,但交变载荷的长期作用导致了叶片前缘区域的高周疲劳破坏．预测的叶片应力集中位置和实际断裂位置一致,表明了该方法在工程实践中的有效性．     

持续气动加热环境下的结构热载荷分析与应用

气动热问题是制约高超声速飞行器发展的关键问题之一,其产生的热流对结构固有特性具有显著的影响。热模态分析是研究热载荷对结构固有特性影响的一个重要方法,其分析结果对防热结构的选材与设计具有重要的参考价值。针对高超声速飞行器进气道前缘结构开展了热载荷分析与应用研究,计算了结构在冷壁热流及通过流-固耦合法解算的热壁热流两种载荷条件下的温度场及前三阶模态的振动幅度与固有频率的变化情况。结果表明:采用流-固耦合算法解算的热载荷适用于持续气动加热环境下的结构热分析及热模态分析。耦合计算600 s后受热结构逐渐趋于热平衡,此时最高温度达到1 200 K左右,前三阶模态的最大相对振动幅度分别增长了24.4%、5.6%和36.7%,固有频率分别下降了14.1%、8.8%和9.9%。     

概念设计阶段机翼流固弱耦合设计系统开发

针对机翼概念设计阶段存在的气动载荷与结构变形之间的耦合效应问题,结合机翼概念设计阶段模型简化、快速估算的特点,提出了基于弱耦合迭代的流-固耦合效应的解耦方案。通过改进基于径向基插值函数的流-固耦合数据交换技术,采用基于最小变形能的气动载荷分布估算及惯性载荷的分布算法等技术,实现了气动载荷等效转换为结构载荷;并开发和验证了面向概念设计阶段的机翼气动-结构耦合设计原型系统,为实现机翼的气动结构耦合设计提供一种可行的替代方案,达到了提高气动载荷与结构分析载荷转化的效率,避免求解复杂的多学科分析模型的目的。     

时变条件下滑动轴承系统的多物理场耦合分析

针对传统非耦合分析方法无法研究轴颈、油膜与轴瓦之间的相互作用以及普通流-固耦合方法无法真实反应轴承运转工况的问题,提出了一种融合计算流体动力学、流-固耦合和热流耦合的瞬态分析方法,分析了时变条件下轴承系统速度、压力和温度的多物理场耦合,并分析了空化现象的影响,精确计算了恒定载荷下的偏心率和温升场,以及从启动到稳定过程的轴心轨迹.同时,分别考虑腔结构、轴颈转速和载荷对油膜压力、偏心率、温升和气穴的影响,并将计算结果与相关文献的实验结果进行比较.结果表明:所得计算结果与实验结果较吻合;轴承的轴心轨迹呈螺旋形;油腔数目对轴心轨迹、气穴和温升的影响很大.     

典型调速工况大功率液力偶合器叶轮装配体强度分析

随着大型核/火电站装机容量的大幅度增加,大功率液力偶合器作为电站系统主锅炉给水泵调速的核心元件,其工作叶轮的强度成为影响电站系统安全稳定运行的重要因素.文章以某型液力偶合器叶轮装配体为研究对象,采用单向流固耦合计算方法,建立全流道流固耦合分析模型,其中泵轮与涡轮套的端面定位采用接触算法,用梁单元模拟螺钉联接效果,对典型工况下叶轮装配体结构强度计算分析.结果表明,装配体整体变形和应力随着转速比的增大呈增加趋势,且叶轮变形大小与对应区域旋转半径长度基本成正比,说明离心载荷是影响叶轮装配体强度的主要原因;由于螺钉预紧力效应,叶轮连接区域出现局部应力集中现象;涡轮套内缘是叶轮装配体结构强度的薄弱区域,此分析结果与文献发表结果相吻合.此项研究工作为自主大功率液力偶合器叶轮结构设计及优化提供有效的应用理论指导.     

燃料电池空压机涡旋盘均匀载荷应力变形仿真

为了得到燃料电池空气供给无油涡旋空压机运行干涉预判与装配间隙,计算了涡旋盘各压缩腔在一个循环内的容积离散值,得到压缩腔不同主轴转角的温度载荷与压力载荷初值,经过均匀化传热计算得到涡旋盘循环平均温度场与气压场,提出指数分段温度公式作为替代方法简化温度场计算。基于ANSYS有限元分析温度、气压均匀载荷耦合作用下涡旋盘的变形及应力场。仿真结果表明:静盘应力最大值为153.21 MPa,位于涡旋齿始端根部;动盘应力最大值为88.88 MPa,位于涡旋齿终端根部;涡旋齿最大径向修正值为0.092 mm,70%区域的修正值小于0.030 mm,平均值为0.023 9 mm,所有配合面增加0.010 mm附加修正值得到等效径向配合间隙为0.033 9 mm;动、静涡旋盘轴向配合面变形后无干涉,轴向间隙设置为0.010 mm。     

不同约束条件下瞬态流动对输流管道动力学的影响

应用有限元软件ANSYS对不同约束条件下的输流管道进行瞬态流固耦合动力学分析和模态分析,得到输流管道在不同约束条件下管壁特征点的位移图和计算迭代曲线以及管道的固有频率,分析不同约束条件下瞬态流动对输流管道动力学的影响.结果表明,通过改变管道的约束方式可以减小管壁位移和应力,管壁的最大位移和最大应力以及特征点的位移和加速度的绝对值有关,考虑流固耦合会使管道的固有频率降低.     

Numerical Simulation of the Slit-Trap Dam Based on Fluid-Structure Interaction

Debris flow can cause serious damage,and it is a part of the study of fluid-structure interaction(FSI).FSI analysis was established on the interaction between unsteady flow and the slit-trap dam's vibration,with a coupling bench which can transfer fluid pressure and structure displacement.Debris flow can be seen as the Bingham body of incompressible.Based on ANSYS and CFX softwares,unidirectional and bidirectional coupling methods were used to study the transient interaction between debris flow and dam.The comparison between lateral fluid pressure states under different velocities and the equivalent stresses of the dam under different coupling conditions was made.The result shows that fluid-structure coupling becomes stronger with the increase of flow velocity.The maximum equivalent stress appears at the dam foundation,while the minimum equivalent stress appears at the dam abutment.With the increase of height,the fluid pressure decreases.The fluid pressure based on unidirectional FSI analysis is larger than that based on bidirectional FSI analysis and the maximum appears on the joint of the dam foundation and channel.The maximum equivalent stress of the dam based on the former is less than that based on the latter.     

爆炸消减钢桥面顶板-纵肋焊接残余应力的模拟分析

焊接残余应力会严重影响正交异性钢桥面的疲劳强度和使用寿命.爆炸处理方法已在冶金设备、压力容器及海上采油设施等大型焊接结构的残余应力消减中得到了应用,提出了焊接-爆炸处理全过程数值模拟流程,分析了顶板-纵肋焊接连接残余应力变化过程,考察了爆炸处理对钢桥面板顶板-纵肋焊接残余应力的消减效果.首先,采用热-结构间接耦合分析方...     

船舶机舱模型振声性能数值计算与试验验证

采用有限元/边界元法对船舶机舱动力设备及液舱流固耦合引起的振动与声辐射进行数值计算;并进行相应的实验研究。以某航海教学实习船机舱为原型,将此振声耦合系统简化为箱形多腔结构,运用数值有限元方法建立多腔结构及其单元腔室的模型,考虑流固耦合效应,对结构进行频率响应分析;然后采用边界元法对舱室辐射噪声进行了计算。计算结果与实验结果之间的误差在5 dB以内,表明本方法具有较好的准确度。采取两端简支的边界条件,研究三舱段船舶机舱模型振声性能时,充液及增加充液舱数,总体对改善舱室振声性能有利;但对于液舱接触舱室声学环境影响要分频段考虑,此外舱室距振源的距离对计算结果有较大的影响。     

基于S-ALE流固耦合方法的飞机水上迫降动力学数值分析

对飞机水上迫降数值分析而言,结构与流体耦合作用方式是水上迫降研究的核心问题,在一定程度上决定了数值分析的成败。一种基于结构化任意拉格朗日-欧拉算法(S-ALE)的耦合方法用于刻画水上迫降过程中的飞机与水的相互作用。采用S-ALE流固耦合方法开展了飞机水上迫降动力学分析,提取飞机的俯仰姿态和过载的变化规律,并与传统的ALE罚函数耦合方法以及相关实验结果进行对比。结果显示:相对于传统的ALE罚函数耦合方法,S-ALE流固耦合方法较好地避免了流体的渗漏,能够有效预测飞机的二次抬头现象。与实验对比,S-ALE流固耦合方法所预测到的俯仰姿态角和过载曲线与实验数据基本吻合。     

基于流固耦合的水下发球管汇力学及振动特性分析

水下发球系统具有可利用生产流体发球、不停井发球的优势,在现阶段与未来海洋油气开发具有广阔的应用前景。水下发球管汇结构复杂,存在多处弯管、变径三通,生产流体压力高,而发球流程工艺引起的管汇结构变形与振动情况尚不清晰。本文采用数值模拟的方法,计算了某水下发球管汇在发球工况中,流固耦合条件下管汇结构的位移、应力分布及振动情况。发现阀门的开关瞬间是压力变化幅度最大的特征时刻,也是引起管道位移、振动情况最严重的特征时刻; 明确了管道结构风险位点为管汇结构末端,最大位移约为5.69 mm,主要由X方向贡献,最大等效应力为233.13 MPa,主要集中分布在T型管、弯管内侧处;提出了针对性的优化支撑方案,管汇结构最大位移降低至3.53 mm,低阶模态频率增幅约为1.74%~20.54%,说明管汇结构的安全性得到了提高。所得结论可为水下发球管汇的设计、运行提供理论依据。     

重力坝-库水-地基相互作用分析方法比较研究

对5种不同高度的重力坝分别采用流固耦合模型与附加质量模型进行了坝体-库水系统相互作用的时域地震动分析.将这两种模型计算所得动水压力结果与Westergaard公式解析解相比较可知,约70m高的中低重力坝采用Westergaard公式计算动水压力就能满足工程实际的要求;对于160m以上的中高重力坝,采用流固耦合模型计算库水作用及坝体动力响应较为接近现实情况.从坝体频率、位移、峰值加速度(PGA)三个方面的结果可以看出,附加质量模型模拟地震条件下库水对坝体作用较流固耦合模型有一定的夸大,对中高坝而言更为显著.地基对200m级高坝库水作用的影响非常明显,在计算坝体与库水相互作用时地基作用不可忽略;对于70m高的中低坝,地基作用可以不用考虑.     

动静干涉下压气机叶轮气动激励与振动分析

为研究离心压气机叶轮的气动激励特征及激励作用下的振动特征,建立了单向瞬态流固耦合模型进行计算分析.利用模态分析确定了叶轮的共振工况,在此工况下进行单向瞬态流固耦合计算.讨论了叶轮与进气弯管和出口蜗壳发生动静干涉时,其表面非定常气动激励的时域与频域特征,并进一步讨论了叶轮在此气动激励下振动时的时域与频域特征.结果表明,叶轮共振时的主要振动分量是基频与共振频率处的振动分量,共振频率处较小的气动激励引发了较大的振动幅值;长叶片吸力面前缘等位置处动应力及离心应力较大,是疲劳失效危险点,叶轮易从此处萌生疲劳裂纹并发生疲劳断裂.