引射器活门调节机构的流固热耦合特性

针对船用燃气轮机引射器活门调节机构多场耦合下的结构强度问题,建立了引射器三维流场以及活门阀片的结构模型,采用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法,分别对流场进行了稳态与瞬态仿真分析.将瞬态仿真的结果作为有限元模型的边界条件,进行了包含热、气动和离心载荷的顺序单向流固热耦合分析.结果表明,相较于稳态仿真,瞬态仿真结果的趋势相近但压差更大.时变载荷的稳态求解,可能导致强度的估计不足.对活门调节机构而言,热载荷对机构阀片的变形、应力起到主要作用,气动载荷所导致的弯曲应力可以抵消一部分热载荷导致的弯曲应力,而离心载荷对机构的影响较小,可以忽略.所采用的分析方法可用于引射器活门调节机构等典型运动调节机构的结构设计与优化.     

复杂载荷下硬涂层对整体叶盘的减振特性

为了研究硬涂层对航空发动机整体叶盘在复杂载荷下的振动影响,通过有限元分析的方法对比研究了其振动特性。首先,建立整体叶盘三维模型,导入ANSYS Workbench软件中,并在叶片的侧面添加NiCoCrAIY+YSZ硬涂层;其次,使用一维插值的方法对航空发动机整体叶盘进行稳态温度场设置,采用Fluent模块对整体叶盘气动载荷进行添加,运用预应力模态分析法研究在离心载荷、温度载荷和气动载荷作用下,硬涂层对整体叶盘非线性振动特性的影响;最后,绘制坎贝尔图,分析在不同转速下硬涂层整体叶盘的共振情况,采用谐响应分析研究其振动位移响应。结果表明：整体叶盘叶尖处更容易受到振动的影响;涂敷硬涂层可以降低整体叶盘的固有频率、响应峰值,且能减少共振点数量。可见硬涂层对整体叶盘减振具有积极影响。     

黏弹性阻尼材料对整体叶盘固有特性的影响

整体叶盘是航空发动机的关键部件,在多场耦合复杂边界条件作用下,容易发生复杂的振动,当叶片发生疲劳破坏时,导致整体叶盘的叶片无法更换.为提高整体叶盘的抗高周疲劳能力,提出在整体叶盘盘缘底部添加黏弹性阻尼材料以实现整体叶盘振动抑制的方法,采用复常量模型表征添加在整体叶盘盘缘的黏弹性阻尼材料,基于模态应变能法计算整体叶盘复合结构的固有频率和损耗因子,对比涂层厚度对整体叶盘固有特性的影响.结果表明,随着涂层厚度的增加,整体叶盘的低频固有频率增加,高频振动频率降低,损耗因子增大,振型变化较小.     

飞艇柔性变形对气动特性的影响研究

软式飞艇在低充气内压和来流共同作用下,其整体结构刚度较小,应视为柔性体.飞艇所产生的柔性变形和流场之间的耦合已经成为大家越来越关注的问题.利用数值方法模拟了平流层飞艇外流场和柔性变形的非动态相互耦合作用,并通过风洞实验验证了所建薄膜体变形和流场数值模拟及气动载荷耦合计算模型的适用性.利用该模型进一步确定外流场作用下艇体柔性变形对总体性能的影响,对平流层柔性飞艇的工程应用具有一定的参考价值.     

某单级压气机对组合畸变响应特性的数值模拟

发动机压缩系统的气动稳定性主要取决于飞行时发动机抗畸变的能力.畸变主要来自发动机进口的总压、总温及其组合畸变.它们在数量关系上不确定,在地面又很难模拟实现.采用数值计算方法,从理论上定量地研究组合畸变在压气机中的响应特性,通过建立某单级压气机三维模型,并采用无限叶片假设和用体积力模化叶栅特性的方法进行简化求解三维非定常欧拉方程,研究了总压与总温的组合畸变在某单级压气机中的传递过程.计算结果表明:组合畸变经过转子时总压畸变强度和总温畸变强度明显大于单独作用时的畸变强度,分别增大了13%和13.5%,但畸变范围基本没有变化.     

某型发动机压气机叶-盘结构优化分析

为快速提高后续批次发动机推重比,针对压气机转子叶-盘-鼓基本结构单元,基于通用有限元软件优化设计平台和循环对称结构静应力分析方法,在不改变叶片气动外形、盘鼓连接半径等强约束条件下,通过合理预设需优化位置的形状和尺寸设计变量,建立从榫头-榫槽连接式叶盘结构到整体叶盘结构的两步优化方法,缩减了优化迭代过程中结构静应力计算用的三维有限元模型规模,提高了优化效率。运用该法对某发动机高压压气机第三级叶盘结构进行优化设计,将最大转速下叶、盘、鼓的离心和气动载荷施加到优化迭代过程中、结构静应力计算用的有限元模型上,同时设置既可线性求解、又能计入接触面上真实应力状态的叶、盘、鼓间的接触,贴合承载和接触实际。采用一阶方法进行优化求解,得到满足约束条件的尺寸设计变量解。对比分析优化前后结构的应力分布,证实该法有效,在保证结构可靠性的前提下,获得了较好减重效果。     

整体叶盘结构叶片弹性变形规律及其对风扇气动性能的影响

以某先进三级风扇为例,通过三维计算及试验数据分析,对比研究了整体叶盘结构及盘榫结构的不同弹性特征;分析了整体叶盘结构叶片弹性变形角变化量随叶高、相对换算转速变化的特点;阐述了弹性变形角对风扇气动性能的影响;探讨了整体叶盘结构风扇叶片的气动设计方法。试验及三维计算结果表明,整体叶盘结构的弹性变形量小于盘榫结构叶片,弹性变形角随叶高及转速呈非线性变化;应用整体叶盘结构叶片气动设计方法后,在设计转速工作点流量相对增加了1.92%,效率相对提升了0.1%,风扇性能得到明显改善。     

离心叶轮几何形变对气动性能的影响

将数值流场分析方法与有限元方法相结合,利用流固耦合技术,由黏性流场分析得到流场的压力分布,并将其作为气动栽荷施加于叶片表面进行应力应变分析.再对叶轮施加离心力载荷,分析离心叶轮叶片的变形情况,从结果中提取网格结点变形量,对叶片坐标进行修正得到工作状态下叶片的型线,并再次进行流场分析.为研究叶轮工作状态下叶顶间隙的变化对叶轮性能的影响,在固定转速下分别计算了3种叶顶间隙分布情况下的叶轮性能.研究表明:气动栽荷下的叶片形变量仅占总体载荷下形变量的1%到3%左右,工作状态下叶片最大形变位置为叶顶叶尖;变形的叶根与叶顶向轮盖靠近,造成叶顶间隙减小;在叶顶间隙为0.5 mm时,叶轮出口间隙减小量最大达到原间隙的50%;由于叶顶间隙以及叶片型线的变化,使得离心叶轮等熵效率在小流量时下降0.9%～1.8%.     

涡轮导向叶片热冲击双向耦合数值研究

航空发动机涡轮导向叶片热冲击过程是一个典型的固体变形场、温度场和流场三场耦合作用问题,工况复杂。基于流固热耦合理论,求解一维平板模型热弹性解析解;并进行数值模拟和对比分析,验证了双向耦合方法的有效性。应用建立的双向耦合方法对某涡轮导向叶片热冲击过程进行数值模拟,得到了涡轮导向叶片表面温度及热应力分布规律。研究表明,提出的双向耦合方法可以有效地预测涡轮导向叶片的温度及应力分布规律,计算温度与试验误差小于5%;应力集中处与试验中叶片破坏区域一致。研究对航空发动机涡轮叶片热冲击过程数值模拟提供了有效方法。     

燃烧室热-声-结构耦合数值研究

航空发动机燃烧室多种载荷间的交变作用是影响其工作稳定性及疲劳寿命的重要因素。应用有限元方法开展了燃烧室多场耦合数值研究,对比分析了不同网格质量、湍流模型、流体速度及材料属性等因素对模拟产生的影响,并运用ANSYS Workbench 14.0分别采用单向与双向耦合方式仿真分析了热-声-结构耦合作用下的结构动力特性。通过试验数据与模拟结果的对比分析,得出网格质量对计算时间和准确性影响较大,湍流模型主要影响温度、压力与速度等流场结果,而流体速度对流场温度和结构振动频率等具有较大影响;耦合作用产生的根源为燃烧不稳定性,热载荷较之声载荷对结构振动影响更大且在频率为275 Hz和385 Hz附近时耦合对振动影响较强。研究工作对燃烧室设计等具有重要实际意义。     

多场耦合下大体积混凝土初次蓄水的温度应力问题研究

在大体积混凝土坝初次蓄水时,温度较低的库水必然会对坝体温度场产生较明显的影响,从而影响坝体的变形,甚至产生温度裂缝.为分析大体积混凝土初次蓄水的温度应力,本文将混凝土类多孔介质视为连续介质,综合运用水力学、热学和固体力学等基本理论,根据动量守恒、质量守恒和能量守恒方程建立了以位移、孔隙水压力、孔隙气压力、温度和孔隙率为未知量的多场耦合数学模型,在此基础上编制了有限元计算程序,并对大体积碾压混凝土块的渗流场、温度场和应力场进行了耦合分析,结果表明,考虑耦合后块体温降幅度及温度大主应力均较不考虑耦合条件下大.     

离心压缩机进口可调导叶尾缘自诱导吹气数值研究

设计一种可进行尾缘自诱导吹气的可调导叶,减弱动静干涉效果,降低叶轮所受气动载荷,提高叶轮的安全性.该结构通过压差作用,调控导叶尾缘流动现象,补偿导叶的部分尾迹,并以某带有进口可调导叶的离心压缩机为例,采用数值方法予以验证.结果表明,在0°开度下结构内流动不明显.随着开度增加,壁面分离加大,在导叶的面上压差加大,使槽道内部自诱导流动加强.在较低增加叶根尾迹强度的条件下,改善了导叶中部、顶部尾迹分布形式,使纯尾迹减弱为弱尾迹,使叶轮气动载荷降低.同时无外部补气,自诱导结构对机组外特性几乎无影响.     

离心压缩机轴承总成气相流动与温度场特性

基于高速运转过程中的离心压缩机轴承总成腔体内部摩擦产生大量的热导致流场内部温度过高的问题,本文对离心压缩机滚动轴承总成中的制冷剂气体流动和换热特性进行了研究。以6009深沟球轴承组为对象,建立了轴承总成内腔的数值分析模型。分析了轴承运动对流场内部气相流动的影响,并对比不同转速下内部温度场情况,揭示了转速对轴承总成腔内的传热特性的影响。结果表明：轴承旋转引起了旋转流,所带来的能力增加了流速,且使轴承总成内部的压力升高;随着转速的增大,流场的流速随之增加,轴承腔内的温度会有一定程度的降低,但转速继续升高,摩擦损耗急剧增加,产生的热量大于气体的换热能力,温度随之升高,最终得出较好的散热工况下的转速。     

加热炉直段炉管与管内外流体多场耦合分析

加热炉炉管、炉管内外流体以及筒体构成了一个复杂的多场耦合系统,研究具有一定的难度。现开展加热炉炉管多场耦合分析,为验证多场耦合分析方法的正确性,对共轭传热分析及热应力分析进行了验证计算,结果误差均在10%左右。采用小变形和耦合传热理论,考虑流、固、热三者之间的相互影响,以及流体动力学特性和载荷非线性特性,利用ANSYS、CFX软件,实现了加热炉炉管多场耦合数值模拟,并校核炉管强度。     

旋转作用下水平轴风力机气动性能分析

为研究水平轴风力机在大气边界层近地面非定常来流作用下气动耦合特性,建立基于剪切应力传输(SST)湍流模型的计算流体力学(CFD)模型和静力结构模型。为模拟风轮在近地面的气动状态,通过单向流固耦合方法对流场均匀入流风速和旋转效应作用下不同工况进行数值耦合计算,求解风力机流场中的速度场、压力场、结构响应状态以及输出功率,分析对比流场不同方向风力机周围速度变化、表面压力分布、结构应力应变规律、整体变形情况和功率变化。结果表明：在均匀来流和旋转共同作用下,流速和压力主要沿风轮径向变化,沿叶片展向至叶尖速度逐渐增大；整机结构附近有明显的气流扰动变化；停机工况和旋转工况(考虑旋转效应)塔影效应干扰下叶片变形在上下风区波动较大；入流风速大小对风力机输出功率有显著影响。     

均布荷载作用下简支组合梁受力机理分析

为了揭示组合梁在均布荷载作用下的受力机理,考虑弯曲和滑移耦合变形,建立组合梁滑移受力机理模型.首先,以单跨简支组合梁为研究对象,探讨组合梁变形与滑移规律、横截面内力分布及结合部传力机理;然后,分析截面尺度、界面刚度与荷载加载面对组合梁受力机理的影响.结果表明：混凝土板抗剪和抗弯作用在房建组合梁中较明显,在桥梁组合梁中可忽略;随着界面刚度比的增加,简支组合梁的曲率、转角、挠度和滑移均减小;混凝土板和钢梁轴力同步增大,混凝土板剪力增大而钢梁剪力减小,混凝土板、钢梁弯矩减小而轴力力偶增大;结合部界面切向力增大而界面法向力基本不变;相较于按自质量分配荷载,均布荷载由混凝土板承担时界面压力增大,由钢梁承担时则界面受拉,应注意验算界面抗拉拔性能.     

压缩机主轴-叶轮摩擦性能及过盈装配主轴弯曲变形研究

通过实验测量了压缩机主轴材料(40NiCrMo7)和叶轮材料(FV520B)的摩擦因数,其值在0.12~0.25,具体大小与法向接触压力和表面粗糙度有关.结果表明,法向接触压力只有大于约36kN以后才会使摩擦因数轻微增大,而表面粗糙度对摩擦因数的影响更显著,也更复杂.摩擦因数随FV520B表面粗糙度增大整体会呈现增大趋势,但却随着40NiCrMo7表面粗糙度的增大而减小,犁沟效应和微黏着区的产生是导致这种变化的原因.在此基础上,通过有限元计算分析了降温不均时摩擦因数和过盈量对压缩机主轴过盈装配时弯曲变形的影响.结果表明,降温不均是导致主轴过盈发生弯曲变形的重要诱因,而摩擦因数与过盈量对弯曲变形存在耦合影响.当摩擦因数保持恒定时,主轴弯曲变形会随着过盈量的增大呈现出先增大后减小的趋势.从另一角度来看,当过盈量保持恒定且小于某一临界值时,摩擦因数增大会导致主轴弯曲变形增大,但当过盈量大于该临界值后,随摩擦因数增大主轴弯曲变形反而会减小.对这种现象给出了定性的分析.     

多场耦合作用下煤层气的渗流特性与数值模拟

根据实验研究煤样在轴向应力、围压、气压、温度单一因素作用下的渗流规律.利用Ansys12.0数值模拟了单场与多场耦合作用下煤层气的渗流规律,煤体的变形、孔隙压力、渗流场的分布规律.数值模拟得出:单场作用下煤层气在煤体中的渗流规律实验与数值模拟结果基本相同;多场耦合作用下煤的渗透率与平均有效应力曲线呈负指数关系;对试件变形的影响应力场大于渗流场,轴向应力对试件的变形大于围压;围压对渗流场的影响大于轴向应力,轴向应力对孔隙压力的影响大于围压,多场作用下孔隙压力大于单场作用.多场作用下数值模拟的结果与实验研究是一致的,因此研究煤层气的渗流规律必须考虑气-固-热的同时作用.     

采用泛克里金技术的叶片表面压力场插值方法

利用泛克里金技术对叶片表面压力场进行插值,采用球形模型,用循环交叉验证法确定变异函数.结果表明:应用泛克里金技术进行压力场插值得出的气动压力过渡较平滑,精度达到工程应用要求,并且克服一般距离加权插值方法插值结果不稳定的问题;如果插值过程中,要提高精度可适当地增加已知数据点,特别是增加在变化比较剧烈的局部位置.