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流固耦合效应下离心压气机叶片响应分析

发布时间:2017-04-07 18:04

  本文关键词:流固耦合效应下离心压气机叶片响应分析,由笔耕文化传播整理发布。


【摘要】:涡轮增压器经过多年的发展,无论是在气动性能还是结构设计,都有了较大的改进,现在广泛应用于航空,船舶,汽车等领域,取得了客观的经济效益。叶轮是离心压气机的主要部件之一,叶轮性能的好坏将直接影响整个压气机的性能,在设计压气机叶轮时既要考虑气动性又要考虑结构。叶轮工作在复杂环境中,受到多种载荷的作用,为了保证压气机安全可靠运行,有必要对其进行流固耦合研究。采用ANSYS CFX针对某离心压气机的叶轮和扩压气机组合进行了流场的模拟研究,分析了叶轮流道与扩压器流道内部流场分布,通过与实验数据比较,验证了本文的仿真模型和所采用数值方法的可靠性,对压气机进行了多工况数值计算。对三种不同叶型数据的CAD图纸,利用CATIA建立了新的模型,利用数值仿真对比了三种扩压器性能的优劣,并且针对性能较好的扩压器前缘气体分离,提出了改进方案,将扩压器叶片入口安装角增加3°,在24156r/min性能得到明显提高,效率在质量流量4.8kg/s提高最大,提高了6.84%,更高转速效果则不明显,总体来看扩压器的结构优化在一定程度上可以提高压气机性能。将流场模拟的压力与离心力耦合,可以获得更加接近实际工作中叶轮叶片的应力应变状态,利用ANSYS Workbench对压气机进行了流固耦合仿真,分析了流固耦合下叶轮叶片应力应变分布,得到压气机长短叶片的应力应变云图,计算比较了气动力和离心力对叶片应力应变的影响,结果表明应力最大发生在叶片前缘根部,三种不同载荷下的应力最大值为40.276MPa、178.79MPa、167.52MPa,三者的最大值都小于材料的许用应力300MPa。另外,对比分析了流场优化前后应力应变的变化情况,叶轮在流固耦合作用下最大应力值为332.01MPa。最后还分析了叶片的固有频率以及三种不同载荷下的模态振型。通过以上研究,了解了该压气机的气动性能,对叶轮和叶片的应力应变做了可靠性分析,对共振作了计算,为提高压气机性能提供数值参数。
【关键词】:离心式压气机 流固耦合 叶片响应 数值模拟
【学位授予单位】:大连交通大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:TH452
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-11
  • 第一章 绪论11-17
  • 1.1 课题研究背景及意义11-12
  • 1.2 流固耦合国内外研究简介12-14
  • 1.2.1 国外流固耦合研究现状简介12-13
  • 1.2.2 国内流固耦合研究现状简介13-14
  • 1.3 叶轮机械流固耦合研究进展14-15
  • 1.4 流固耦合研究常用软件简介15-16
  • 1.5 主要研究内容16
  • 本章小结16-17
  • 第二章 叶轮机械流固耦合数值模拟相关理论17-31
  • 2.1 离心压气机的气动基本理论17-22
  • 2.1.1 压气机的组成与原理17-20
  • 2.1.2 压气机的主要气动性能参数20-21
  • 2.1.3 压气机的旋转失速和喘振21-22
  • 2.2 流体数值模拟理论及方法22-24
  • 2.2.1 流动的控制方程及性质22-24
  • 2.2.2 流动方程的求解方法24
  • 2.2.3 湍流模型及其选取24
  • 2.3 叶轮强度分析基本理论24-28
  • 2.3.1 屈服条件25
  • 2.3.2 Tresca屈服准则25-26
  • 2.3.3 Mises屈服条件26-28
  • 2.4 叶轮机械流固耦合分析的方法及理论28-30
  • 2.4.1 流固耦合的基础理论28-29
  • 2.4.2 流固耦合问题的研究方法29
  • 2.4.3 流固耦合方程29-30
  • 2.4.4 耦合面的数据传递30
  • 2.4.5 叶轮机械流固耦合的ALE方法的基础理论30
  • 本章小结30-31
  • 第三章 压气机气动数值模拟与流场分析31-49
  • 3.1 压气机数值模型的建立31-35
  • 3.1.1 几何结构简介31-32
  • 3.1.2 计算网格32-34
  • 3.1.3 边界条件与计算设定34-35
  • 3.2 多工况数值模拟计算结果分析35-39
  • 3.2.1 多工况数值模拟计算结果及分析35-36
  • 3.2.2 压气机多工况下的气动特性仿真分析36-39
  • 3.3 压气机叶轮与三种不同叶片参数的扩压器匹配研究39-45
  • 3.4 扩压器优化设计45-48
  • 本章小结48-49
  • 第四章 压气机叶轮叶片流固耦合强度分析49-61
  • 4.1 有限元基本概念49
  • 4.2 有限元分析的求解步骤49-50
  • 4.3 流固耦合分析流程50-51
  • 4.4 压气机叶轮叶片有限元模型的建立51-52
  • 4.5 计算结果分析52-56
  • 4.6 流场优化前后应力应变对比分析56-57
  • 4.7 叶轮流固耦合计算结果及分析57-60
  • 本章小结60-61
  • 第五章 压气机叶轮叶片模态分析61-70
  • 5.1 振动模态分析理论基础61-63
  • 5.1.1 模态分析61-62
  • 5.1.2 压气机模态分析基本理论62
  • 5.1.3 压气机主要振动参数描述62-63
  • 5.1.4 压气机的共振特性分析63
  • 5.2 基于ANSYS Workbench的模态分析63-64
  • 5.2.1 ANSYS模型分析的基本方法63
  • 5.2.2 ANSYS分析的静频和动频计算63-64
  • 5.2.3 叶轮叶片的ANSYS模态分析过程64
  • 5.3 叶片模态计算结果与分析64-69
  • 本章小结69-70
  • 结论与展望70-72
  • 研究结论70
  • 研究展望70-72
  • 参考文献72-75
  • 攻读硕士学位期间发表的学术论文75-76
  • 致谢76-77

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本文编号:290995

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