[發(fā)明專(zhuān)利]一種面向葉輪機(jī)械葉片氣動(dòng)彈性模擬的流場(chǎng)重構(gòu)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011606382.4
• 申請(qǐng)日: 2020-12-30
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112632726A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-04-09
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 董旭;張英杰;甘久亮;張子卿;張燕峰;盧新根
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/17
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/17;G06F30/28;G06F119/14;G06F113/08
• 代理公司: 北京鍾維聯(lián)合知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11579
• 代理人: 原春香

本發(fā)明公開(kāi)了一種面向葉輪機(jī)械葉片氣彈模擬的流場(chǎng)重構(gòu)方法，依次包括選取合適的計(jì)算域模型、進(jìn)行定常及非定常計(jì)算、流場(chǎng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、流場(chǎng)數(shù)據(jù)重構(gòu)等步驟。整個(gè)流場(chǎng)重構(gòu)過(guò)程中，進(jìn)行一次非定常計(jì)算，通過(guò)基于線性化假設(shè)的流場(chǎng)重構(gòu)得到不同相位角的流場(chǎng)信息。使用該方法可以節(jié)約計(jì)算時(shí)間，減少對(duì)計(jì)算資源的需求。本發(fā)明的流場(chǎng)重構(gòu)方法，通過(guò)對(duì)影響系數(shù)進(jìn)行處理對(duì)葉輪機(jī)械流場(chǎng)進(jìn)行快速重構(gòu)，適用于存在穩(wěn)定葉片間相位角的葉輪機(jī)械數(shù)值模擬。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于葉輪機(jī)械流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種面向葉輪機(jī)械葉片氣動(dòng)彈性模擬的流場(chǎng)重構(gòu)方法，基于線性化假設(shè)，通過(guò)對(duì)影響系數(shù)進(jìn)行處理對(duì)葉輪機(jī)械流場(chǎng)進(jìn)行快速重構(gòu)，適用于存在穩(wěn)定葉片間相位角的葉輪機(jī)械數(shù)值模擬。

背景技術(shù)

葉輪機(jī)械中的氣動(dòng)彈性問(wèn)題主要包括強(qiáng)迫響應(yīng)、顫振、非同步振動(dòng)三種。氣動(dòng)彈性問(wèn)題會(huì)引發(fā)葉片的高周疲勞甚至短時(shí)間內(nèi)造成葉片斷裂，嚴(yán)重影響設(shè)備的可靠性和運(yùn)行安全。新一代的航空發(fā)動(dòng)機(jī)為了提高性能、縮小尺寸、減輕重量，逐漸向著葉片負(fù)荷提高、葉排間距減小、采用空心葉片等趨勢(shì)發(fā)展，這些都增強(qiáng)了葉片與繞流之間的相互作用，進(jìn)而增加了葉片氣動(dòng)彈性的風(fēng)險(xiǎn)。而燃?xì)廨啓C(jī)葉片窄而長(zhǎng)，通常葉片的振動(dòng)頻率較低，容易發(fā)生氣動(dòng)彈性問(wèn)題。

為了提前預(yù)測(cè)氣動(dòng)彈性風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)其氣彈行為。氣動(dòng)彈性尤其是顫振模擬時(shí)，通常有兩種做法，一種是耦合方法，需要同時(shí)求解流體和固體方程，通過(guò)監(jiān)測(cè)葉片的振動(dòng)幅度確認(rèn)是否發(fā)生氣彈失穩(wěn)，這種方法對(duì)求解器要求較高，并且對(duì)計(jì)算資源需求也很大。第二種是解耦方法，在葉輪機(jī)械中，流動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可以忽略，也就是流場(chǎng)中的振動(dòng)模態(tài)和真空中的保持一致，通過(guò)計(jì)算特定模態(tài)下的氣動(dòng)阻尼判斷是否發(fā)生氣彈失穩(wěn)，這種方法可以簡(jiǎn)化計(jì)算的復(fù)雜程度。

雖然氣動(dòng)阻尼可以作為氣彈失穩(wěn)是否發(fā)生的判別標(biāo)準(zhǔn)，但是氣動(dòng)阻尼無(wú)法說(shuō)明失穩(wěn)的機(jī)理和影響因素。因此，除了氣動(dòng)阻尼的大小需要確定之外，還要對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)的分析。對(duì)于葉輪機(jī)械調(diào)諧轉(zhuǎn)子，葉片振動(dòng)并不是同相位的，而是存在一個(gè)穩(wěn)定的葉片間相位角。不同葉片間相位角下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有很大區(qū)別。通常的做法是對(duì)不同葉片間相位角的流動(dòng)進(jìn)行模擬，但是這種方式需要進(jìn)行多次計(jì)算，效率較低。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種面向葉輪機(jī)械葉片氣動(dòng)彈性模擬的流場(chǎng)重構(gòu)方法，實(shí)質(zhì)上是一種基于線性假設(shè)的存在固定葉片間相位角的葉輪機(jī)械流場(chǎng)重構(gòu)方法，該方法基于模型的影響系數(shù)，采用空間相位轉(zhuǎn)換進(jìn)行流場(chǎng)重構(gòu)，可以獲得壓力場(chǎng)，密度場(chǎng)，速度場(chǎng)等流場(chǎng)信息。該方法可以大幅度減少計(jì)算成本，快速得到不同葉片間相位角下的流場(chǎng)信息。

本發(fā)明為達(dá)到上述目的采取的技術(shù)方案如下：

一種面向葉輪機(jī)械葉片氣動(dòng)彈性模擬的流場(chǎng)重構(gòu)方法，其特征在于，所述流場(chǎng)重構(gòu)方法至少包括以下步驟：

SS1.選取合適的葉輪機(jī)械計(jì)算域模型，葉輪機(jī)械計(jì)算域中包含多個(gè)葉片通道，每一葉片都以固定的相位差角同時(shí)振動(dòng)，相鄰兩葉片間的相位差角為σ。葉輪機(jī)械計(jì)算域中設(shè)定的葉片通道越多，最終流場(chǎng)重構(gòu)的結(jié)果越接近直接模擬的結(jié)果，反之，葉輪機(jī)械計(jì)算域中設(shè)定的葉片通道越少，對(duì)計(jì)算資源的需求量隨之減少，但最終流場(chǎng)重構(gòu)的結(jié)果與直接模擬的結(jié)果偏差越大，因而優(yōu)選地，需要計(jì)算域中葉片通道的數(shù)量根據(jù)計(jì)算資源的情況進(jìn)行設(shè)定。葉片通道數(shù)通常選擇為奇數(shù)，也可使用偶數(shù)通道數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

SS2.針對(duì)步驟SS1中所確定的葉輪機(jī)械計(jì)算域模型，進(jìn)行定常計(jì)算及非定常計(jì)算，其中定常計(jì)算結(jié)果用來(lái)作為非定常計(jì)算的初場(chǎng)，非定常計(jì)算時(shí)需要指定其中一個(gè)葉片振動(dòng)并將其作為參考葉片，計(jì)算多個(gè)周期后輸出穩(wěn)定波動(dòng)的流場(chǎng)信息。

SS3.對(duì)步驟SS2得到的穩(wěn)定波動(dòng)的流場(chǎng)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將需要進(jìn)行重構(gòu)的流場(chǎng)區(qū)域信息導(dǎo)出，對(duì)所有葉片通道的上述流場(chǎng)區(qū)域的流場(chǎng)信息進(jìn)行傅里葉變換，得到A0+A+Bi的形式，其中A0代表流場(chǎng)的定常量，A+Bi代表流場(chǎng)的波動(dòng)量。