论文摘要：跨音速风扇叶片颤振的数值模拟

现代高性能发动机要求其具有高增压比，高涡轮前温度和低耗油率，这些使得发动机叶片的气动工作负荷增加，流体诱导的叶片振动问题也日益增多。叶片颤振问题是跨音速风扇设计中需要解决的重要问题之一。本文采用了能量法和流固耦合法来研究叶轮机中的颤振问题。能量法是从能量输运的角度来判断叶片振动的稳定性。数值模拟中通过计算叶片在给定运动下的气动阻尼来判断颤振是否发生。流固耦合法则是通过模拟叶片同周围流体的相互作用过程，根据叶片的动态响应来判断其振动稳定性。在流体域求解非定常雷诺平均N-S方程，计算出作用在叶片表面的非定常气动力。以此作为边界条件耦合求解结构动力学方程得到叶片表面的变形位移和变形速度后，通过变形网格技术对流体域的网格进行更新。在此基础上利用时间推进的方法模拟叶片的自激振动过程。能量法计算效率较高，而流固耦合的方法可以综合考虑结构振动的多个模态对振动的影响，模拟颤振发生的整个过程。本文利用能量法模拟了气弹标准算例4（涡轮叶栅）和气弹标准算例10（压气机叶栅）的叶片振动问题，主要研究了叶片间相位角、折合频率、工况等因素对颤振的影响。研究结果表明叶片间相位角为0°时的振动稳定性，相比90°和180°相位角时的要差。随着折合频率的增大，叶片的振动稳定性有所增强。另外，流场中激波的存在，对叶片振动的稳定性也有很大影响。本文利用流固耦合的方法研究了跨音速风扇转子NASA ROTOR67的气动弹性问题。对叶片在最高效率点的静变形分析表明，设计叶片在气动力和离心力作用下的弹性变形会导致使风扇转子效率和流量的下降。计算中高阶模态对叶片静变形的影响较小。对叶片颤振的数值模拟结果表明，在最高效率点风扇叶片的振动是稳定的。在失速点附近，叶片振幅变化不大，可认为再提高背压，失速状况更加严重后，有可能出现颤振。

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