【正文】 平均或混合后進行傳遞；第三種是滑移網格模型（ SM），這種模型只有當分界面兩側的相互作用不可忽略，導致 MRF 和 MPM 不可進行求解時采用；第四種是動網格模型（ DMM），這種模型可以用于模擬流體域邊界隨時間改變的問題。 FLUENT 中，需要對流體域的邊界條件進行設置。由于靜子是固定不變的，為了防止靜子葉片移動，所以多靜子葉片的葉底施加的固定面約束（ Fixed Support），葉片的榫頭與葉輪的榫槽的接觸面就采用默認的接觸方法。然后分別把流體域中分別于轉子葉片和靜子葉片接觸的面設置為耦合面，這面就可以把流體中轉子葉片和靜子葉片表面的壓力值通過耦合面?zhèn)鬟f到 ANSYS 中，形成對固體所加的載荷。 速度計算和分析 壓氣機某級的 在 Z= 處的速度云圖如圖 2 在 Z= 30 以及 整個通道內的速度分布全貌如圖 31所示，從中可以看出，整個通道內的速度分布相當?shù)膹碗s ，無論是沿徑向還是周向的速度都是分布不均勻的。 圖 29 流域 Z= 出截面速度云圖 29 30 在 Z= 界面處的速度分布云圖 圖 31 流域速度分布云 取 Y= 處的截面，然后繪制該處的流線圖。 圖 33 流域壓力分布云圖 31 圖 34 流域 Z= 出截面壓力云圖 圖 35 在 Z= 界面處的壓力分布云圖 圖 36 是 Y 為 截面出的壓力分布云圖，把該圖與圖 32 比較可以看出，在流線比較混亂的轉子葉片處，由于該處的流動的紊亂，引起該處的壓強變化也比較亂，且變化較為緩慢。 把理論計算和計算機仿真模擬結合起來，以互相驗證和促進，更好的對葉片的靜強度進行一個計算研究。老師平日里工作繁多，還要帶學弟 學妹們進行創(chuàng)新項目，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從查閱資料到設計草案的確定和修改，中期檢查，后期設計，論文檢查修改等整個過程中都給予了我悉心的指導。在此，衷心地謝謝大家 。在這項研究中，建立了風力機葉片在全尺寸的流固耦合模型的氣動載荷計算使用 CFD（計算流體動力學）在 ANSYS FLUENT 實現(xiàn)模型，與葉片結構響應使用FEA（有限元分析）確定 ANSYS 靜態(tài)結構模塊實現(xiàn)模型。最大拉伸 /壓縮應力和尖端變形在每一種情況下被發(fā)現(xiàn)是在材料和結構的限制，根據(jù)相關的設計標準。這種 偏轉反過來又導致在流場中的額外的變化，從而導致進一步的負載變化。目前，有各種各樣的方法，用于建立這些模型組件，和它們耦合的方法，以觀察 FSI 作用下的風力渦輪機葉片。然而， BEM 模型是無法提供詳細的信息，如流場可視化和喚醒發(fā)展的流場。由于其高水平的準確性和靈活性，在這項氣動元件 FSI 模型的研究中選擇 CFD 模型。王等人（ 2021）基于非線性模型的開發(fā)用于風力渦輪機葉片的非線性氣動彈性模型，結合大型葉片變形和幾何非線性。有限元。然而，梁模型是無法提供一些葉片設計的重要的信息，如詳細的應力分布與葉片結構。梁模型是 1D（一維）表示的三維結構的離散屬性，如剛度和質量成點沿一維梁。獲得詳細的信息的流場需要 CFD（計算流體動力學）建模（ TU 等 人， 2021），這已受到越來越多的關注，近年來由于計算機技術的快速發(fā)展。 BEM 模型的高效率也使得它適合設計優(yōu)化，通常涉及大量的設計迭代。因此，對風力渦輪機葉片進行準確的 FSI 建模在大型風力渦輪機的發(fā)展是至關重要的（王， 2021）。然而，作為大型風力渦輪機葉片的尺寸和靈活性的增長的結果，葉片變得更容易受到氣動彈性所引起的 FSI（流體結構相互作用）問題。通過一系列的基準計算的試驗驗證，單向流固耦合模型應用于 兆瓦風機葉片的造型，有代表性的大型水平軸風力機葉片。這些影響可能會導致氣動彈性失穩(wěn)問題，如沿邊的不穩(wěn)定性和顫振，這可能是毀滅性的葉片和風機。除了敬佩楊老師的專業(yè)水平外，她的治學嚴謹和科學研究的精神也是我永遠學習的榜樣，并將積極影響我今后的學習和工作。 33 【 參考文獻 】 34 致 謝 經過半年的忙碌和工作，本次畢業(yè)設計已經接近尾聲，作為一個本科生的畢業(yè)設計，由于經驗的匱乏，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有楊磊導師的督促指導，以及同學和家人的支持，想要完成這個設計是難以想象的。 32 圖 36 Y= 截面出的壓力分布云圖 5 結束語 隨著增壓比的不斷提高 ，對 壓氣機葉片的靜強度的要求也越來越高 ， 為了更好的計算葉片的靜強度 ， 在對葉片結構的 靜力學基礎理論分析計算的基礎上 ，逐漸發(fā)展葉片的單物理場和多物理場的耦合分析的方法。 30 圖 32 Y= 截面出的流線圖 壓力場計算和分析 由計算結構可以看出 ， 由于整個壓氣機內部結構相當?shù)膹碗s ， 所以整個內流場的分布也是比較復雜的 ，從從圖 3圖 34 和圖 35 可以看出壓力在軸向是陳呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢。 壓氣機在軸向上的速度變化可以從圖 31 中看出，當流體在進過轉子葉片的時候，由于轉子截面的變小，同時，轉子處于高速旋轉的情況，能夠把轉子的動能傳遞給流體，使流體的速度變大。 結果數(shù)據(jù)可以通過 CFDPOST 很方便的畫出各種圖形，便于研究。 所以 對轉子葉片和靜子葉片的氣動力的施加，是通過 其所設置的流固耦合面（ Fluid Solid Interface）進行添加的。在進行約束的時候，需要分別對轉子葉片坐在的葉輪、靜子葉片進行設置。 在 FLUENT 中，壓氣機的進出口氣流方向均為軸向，氣流為穩(wěn)態(tài)流， 在第二部分的流域中施加 60000r/min 的轉速條件， 由于空氣的流速較高，在計算中忽略重力對流場的影響。 圖 27 流域處的網格視圖 在該流域的網格劃分中 ， 設置的基本單元尺寸為 ，總共得到了 92175 個單元 和19847 個節(jié)點 。非結構化網格具有幾何的靈活性，對任何復雜的區(qū)域具有適應性，而且可以對已經產生的網格進行自適應加密，同時具有自動化程度高的優(yōu)點，所以目前運用比較廣泛。由于本課題所采用的是 TC4鈦合金，可以查閱相關的資料得知其具有的基本特性參數(shù)，特性表見下： 材料名稱 TC4 鈦合金 溫度 0℃ ~500℃ 密度 4500Kg/m3 泊松比 彈性模量 110GPa 膨脹系數(shù) 10?6℃?1 熱導率 *k 表 3 葉片材料參數(shù) 圖 25 靜子葉片組成 圖 26 轉子葉片組成 26 ICEM CFD 網格劃分 網格的作用在于將空間連續(xù)的計算區(qū)域分割成足夠小的計算區(qū)域。在兩級動葉之間 裝上一組靜止的葉片（簡稱靜葉） 靜子葉片是 將氣流在轉子葉片中獲得了動能轉換成壓力能， 對進過轉子葉片所加壓的紊亂的氣流，進行整流的作用， 以使其適應下一級動葉的入口條件 。 圖 22 變截面扭曲葉身 24 對于樅樹型的榫頭模型建立 ， 其的數(shù)據(jù)是根據(jù) 《 HB59652021樅樹形榫頭、榫槽尺寸標注與技術要求 》中的要求進行設定的，建立的三維實體模型見圖 23 所示。 所以直接設定最上層和最下層截面的基本參數(shù)，然后兩層截面的沿著 X 軸上升 為 的高度 ，通過改變安裝角的大小來形成扭曲。 23 實體模型 的建立 葉片的三維實體模型的建立是本課題的一個難點，同樣也是本課題的一個重點。這個解不是準確解，而是近似解，因為實際問題被較簡單的問題所代替。 圖 23 雙向 FSI 標準 WB 流程 建立 有限元分析（ FEA， Finite Element Analysis）利用數(shù)學近似的方法對真實物理系統(tǒng)（幾何和載荷工況）進行模擬。 雙向耦合的實現(xiàn)是依靠 System Coupling 插件 ，把流體作用在固體上的力，通過Workbench 中的 System Coupling 運算插件傳遞到固體上去 ， 以計算固體受到流體作用力的影響 。 這種方法可以較好的同時考慮到兩個物理場之間的相互作用和影響。湍流模型包含 SpalartAllmaras 模型、 kω模型組、 kε模型組、雷諾應力模型 (RSM)組、大渦模擬模型 (LES)組以及最新的分離渦模擬 (DES)和 V2F 模型等。 Fluent 軟件中的動 /變形網格技術主要解決邊界運動的問題，只需指定初始網格和運動壁面的邊界條件，余下的網格變化完全由解算器自動生成。 Fluent 通用 CFD 軟件包，用來模擬從不可壓縮到高度可壓縮范圍內的復雜流動。 CFD 軟件主要分為以下兩大類一類是專用 CFD軟件，如 FLIENT、 FIDAP、CFX 都是這樣的軟件。 在實際的榫齒應力計算的時候，一般采用使一下公式進行計算。既 按各齒受力相等的條件計算每個齒上的作用力 P，其數(shù)值 為： P = ∑????2??cos??2 式中 2n——齒數(shù)； α ——樅樹 榫頭 的椎 型 角； ∑FC= FC+ FC0 +FCZ1 FC——葉片型線部分的離心力； FC0——11 截面以上 榫頭 部分離心力； FCZ1——11 截面以下 榫頭 部分離心力。計算榫頭 時，作用在 榫頭 第一對徑向支承面以上部分的力，不考慮 榫頭 間的作用力，僅考慮離心力和氣流力。 在常溫下 T1為 下， 進口壓力 P1，出口壓力 P2， 壓氣機 的 出口溫度 T2為 ： ??2??1 = ???? ??2??1 = (??2??1)???1?? ??2 =??1(??2??1)???1?? = ()? = ?? 由此可以看出該型號壓氣機的最高工作溫度比較低 。 當 ?????? 10時，氣流力不可視為均布力： 圖 19 M(x)= ∫ ??(??)(?????1)????????1 可用上式求得危險出的截面的彎矩 ， 若 q(x)無法用分布規(guī)律求得解析式 ， 可用數(shù)值積分的方法 。 . 圖 16 出口速度三角形 C=μ +ω 式中 c—— 絕對速度，以大地為參照點，觀察到得氣流速度； w—— 相對速速，以旋轉的工作葉輪為參照點，觀察到的空氣流過工作葉輪的速度 ； u—— 牽連速度，是以大地為參照點，觀測到的工作葉輪的旋轉切向速度。 13 圖 14 其中 G 點為轉子葉片的重心， E 點就是重心 G 與旋轉中心 S 的連線與 aa 截面的交點，則可以求出 E 點的在 aa 截面的交 點坐標值。 由于葉片的工作特點，對于葉身所受的扭矩而產生的剪切應力忽略不計，只從一下幾方面進行靜強度計算。蠕變會引起塑性變形，一旦變形量超過葉片和機匣之間的徑向間隙 ，就會使葉片和機匣相碰，導致葉片損壞。 10 3 葉片強度計算 葉片的 設計方法 、制造和加工技術對壓氣機的工作效率及安全可靠性起著很重要的影響，壓氣機工作葉片是航空發(fā)動機的事故頻發(fā)的主要誘因之一，葉片的故障可以占總故障的 40%以上。對于不對稱的截面來說，由轉動軸公式求對形心的慣性積為零時即為形心主慣性軸。 在 對 表達式進行求解的時候 ， 一般采用離散化的方法 。其中最常用的就是前兩種型線。 圖 7 銷釘式型榫頭 樅樹型榫頭呈楔形 ， 輪緣部分呈倒楔形 ， 從承受拉伸應力的角度來看接近等強度 ， 在葉根和葉輪槽中，齒的非承載面一變有間隙，可利此間隙進行空冷；同時松動配合葉片可以自動定心；間隙存在允許葉根和輪緣在受熱后膨脹，減小熱應力。 圖 5 燕尾型榫頭 銷釘型榫頭是指葉片借凸耳跨在輪緣上或插在輪緣的環(huán)槽內 ， 靠銷釘或稱套承減 ， 傳遞葉片負荷 。 目前軸流式壓氣機 轉子葉片 的榫頭 常用 的葉根形式：燕尾型 、銷釘型 、 縱樹型等。當葉片工作時候，葉片上就作用有巨大的離心力、氣動力、溫差應力以及振動負荷。對于民航大涵道比發(fā)動機，前面的風扇葉片，由于尺寸巨大，如果用鋼會導致超大的離心力，鈦合金也就成為唯一的選擇。也就是說高的比強度是葉片選材的重要標準。 6. 具有良好的減振性。抵抗高溫下氣體中有害物質的腐蝕以及濕蒸汽和空氣中氧的腐蝕。 在高溫情況下（ 600K 以上），有足夠的蠕變極限和持久強度極限。 葉片按照截面的不同可以分為等截面和變截面兩種，當 ?????? 10（式中： Dm是級的平均半徑， l 是葉高）的時候就認為是等截面葉片，等截面葉片的截面沿葉高相同，有加工簡單的優(yōu)點，但是強度較差。因此，對于直葉片來說。 在葉片較長的情況下，為了抑制發(fā)生危險的共振或者顫振，葉生中常常會帶有一個減振凸臺，但是由于減振凸臺的存在，不可避免的增加葉片的重量和減少空氣質量流量等缺點。葉身是葉片在氣流通道內帶有葉型的部分，榫頭是葉片安裝在