基于流固耦合的离心式压气机叶轮叶片仿真研究

以某型离心式压气机叶轮为研究对象,利用ANSYS工程软件对叶轮进行单向流固耦合数值模拟。在综合考虑热载荷对叶轮叶片应力应变影响的前提下,建立叶轮单流道的三维流场模型,得到额定转速下压气机叶轮内部流场应力分布。将离心力、气动力和热载荷施加到叶片上,最终得到在离心力、气动力和热载荷三者共同作用下的叶片应力分布和叶片最大变形量。结果显示:相比仅考虑离心力和气动力影响的情况,在施加热载荷后,叶片最大应力增加7.62%,最大变形量增加24.69%。     

基于面元法和FEM的海上浮式风力机叶片动力响应研究

考虑水动-气动耦合模型，研究海上浮式风力机在风浪作用下动力响应的数值模拟方法。采用速度势面元法求解浮式风力机叶片压力分布以及时变气动载荷；建立NREL 5 MW风力机的有限元模型，通过瞬态分析得到叶片的变形和应力分布。计算表明，在展长方向，越靠近叶根处，应力值越大；在弦长方向上，越靠近前缘点应力值越大。和风载荷单独作用相比，波浪载荷导致浮式平台产生较大幅度的纵荡和纵摇运动，能量传递到上部风力机后导致叶片的变形和应力更大。     

用弯曲-弯曲-扭转耦合梁元素计算离心力场中的扭曲叶片振动问题

本文用有限元法求解离心力场中的非对称变截面扭曲叶片的弯曲-弯曲-扭转耦合振动问题,把叶片作为扭曲薄壁梁来处理。考虑剪切变形和转动惯量的影响,采用Hermite型三次多项式作为位移插值函数。文中重新推导了离心力场中的势能表达式,还新加入     

基于ANSYS的10 MW风力机叶片弯扭耦合特性研究

为分析弯扭耦合效应对大型风力机叶片气动性能的影响。文中使用三维有限元软件ANSYS建立了10 MW复合材料风力机叶片模型,通过改变梁帽位置单轴向布的铺层角度在叶片中引入弯扭耦合效应,改变铺层角度和耦合区域,分析叶片在气动载荷作用下的变形情况。结果表明:叶片在弯扭耦合作用下产生弯曲变形的同时会发生扭转变形,沿叶片展向变形量增加;该叶片可达到的最大扭转变形量为6度;弯扭耦合系数随着铺层角度的增大而减小。     

气动力与离心力对风力机叶片应变特性的影响

利用有限元理论,基于Ansys Workbench工作平台,针对某小型水平轴风力发电机组,计算了不同工况时叶片应变特性的变化。计算结果显示:叶片在气动力作用下最大应变位置位于叶根与叶片径向的0.65 R处、叶片在离心力作用下最大应变位置位于叶根处;在恒定来流风速、低尖速比时,气动力引起的叶片应变大于离心力引起的应变,但随着尖速比的增加,离心力引起的应变值大于气动力作用时的应变值,其原因为离心力正比于尖速比和风速乘积的二次方,而气动载荷仅正比于风速的二次方;气动力与离心力耦合作用时,最大应变位置位于叶根处,离心力与气动力耦合作用时引起的应变不等于离心力与气动力单独作用引起应变之和。研究结果可为风力机叶片机械强度设计提供一定的理论支撑。     

非设计工况风扇形变与气动影响数值模拟研究

当发动机在非设计点工作时,由于离心力和气动力的差异,风扇叶片的真实热态叶型将与设计状态的热态叶型产生偏差。本文以某型民机大涵道比风扇叶片为基础,针对换算工况与物理工况的热态叶型形变偏差,以及部分转速与设计转速热态叶型的形变偏差,分析两种偏差下热态叶型的变化,并对形变带来的特性和流场变化开展数值模拟分析,量化形变对风扇叶片性能的影响,进而为风扇叶片数值分析结果的修正提供了依据。     

基于ANSYS的旋喷泵叶轮流固耦合分析

为获得旋喷泵叶轮在设计工况下的等效应力及变形分布情况,基于FSI原理对旋喷泵叶轮进行了结构分析。采用多物理场协同仿真平台ANSYS Workbench,基于单向流固耦合原理对旋喷泵叶轮结构进行了仿真计算,同时对单独施加离心力载荷或流场压力载荷的旋喷泵叶轮应力与变形分布情况进行了仿真。结果表明,在设计工况下叶轮应力分布不均且在局部区域存在应力集中现象;叶轮变形随半径的增大而增大,并在叶轮边缘达到最大值0.095 887 mm;离心力惯性载荷是影响叶轮应力与变形分布主要因素。     

基于流固耦合的化容补水泵性能分析

设计3组化容补水泵模型,运用Pro/E建立三维模型,由CFD软件仿真,并对水力模型进行试验,对比试验与仿真结果,获取最优模型。通过ANSYS Workbench建立CFD与Static Structural(静力学)和Modal(模态)连接,对最优模型进行分析,以泵三维定常数值计算结果为基础,利用顺序耦合技术,对固体和流体域进行迭代,分析叶轮的静态应力和振型。结果表明,在水压力作用下叶片变形最大位移发生在叶片出水边靠近叶片边缘处,由平衡孔作用,叶片的等效应力相对均匀较小,叶轮轮毂处因叶轮前后面压差作用,等效应力较大。设计工况下,叶轮轮毂变形对振型的影响明显。     

考虑叶片旋转和离心力效应风力机塔架风振分析

为分析叶片旋转和离心力效应对风力机塔架风振反应的影响,建立考虑叶片离心力效应的风力机塔-轮整体有限元模型分析系统动力特性,采用谐波叠加法和改进的叶素动量理论模拟考虑旋转效应的叶片和塔架脉动风速时程,结合笔者提出的风振精细化频域计算方法分析塔架与叶片在脉动风作用下的动力反应。研究表明:旋转效应会增大叶片的气动载荷和塔架的动力响应及风振系数,离心力效应增大了风力机系统频率并减小了塔架的风振反应及风振系数。     

拉索式垂直轴风力机结构分析

轻量化是垂直轴风力机设计的主要内容。垂直轴风力机叶片与叶片回转面垂直,叶片转动产生的离心力与叶片长度方向垂直,离心力对叶片受力和变形影响很大,叶片容易产生弯曲变形。要尽量减轻回转件的重量,减少离心力对叶片变形的影响。针对该情况提出了一种拉索式垂直轴风力机设计,通过外伸横梁实现在叶片内外两侧同时用拉索拉紧叶片,使叶片固定在横梁上,减少了钢制刚性横梁的使用,极大减少了垂直轴风力机回转结构的重量,达到了垂直轴风力机轻量化目的。分析了拉索式垂直轴风力机的结构特点,对拉索施加合适的预紧力的计算提出仿真要点。     

Predicting wind turbine blade loads and aeroelastic response using a coupled CFD–CSD method

The aeroelastic response and the airloads of horizontal-axis wind turbine rotor blades were numerically investigated using a coupled CFD–CSD method. The blade aerodynamic loads were obtained from a Navier–Stokes CFD flow solver based on unstructured meshes. The blade elastic deformation was calculated using a FEM-based CSD solver which employs a nonlinear coupled flap-lag-torsion beam theory. The coupling of the CFD and CSD solvers was accomplished in a loosely coupled manner by exchanging the information between the two solvers at infrequent intervals. At first, the present coupled CFD–CSD method was applied to the NREL 5MW reference wind turbine rotor under steady axial flow conditions, and the mean rotor loads and the static blade deformation were compared with other predicted results. Then, the unsteady blade aerodynamic loads and the dynamic blade response due to rotor shaft tilt and tower interference were investigated, along with the influence of the gravitational force. It was found that due to the aeroelastic blade deformation, the blade aerodynamic loads are significantly reduced, and the unsteady dynamic load behaviors are also changed, particularly by the torsional deformation. From the observation of the tower interference, it was also found that the aerodynamic loads are abruptly reduced as the blades pass by the tower, resulting in oscillatory blade deformation and vibratory loads, particularly in the flapwise direction.     

超临界氦气离心压气机流场分析

设计了一个包含离心叶轮、扩压器和回流器的单级超临界氦气离心压气机,并采用数值模拟方法对设计结果进行了三维数值模拟分析。通过对总特性、叶表压力分布、展向参数分布以及三维流场的分析,得到了高负荷超临界氦气离心压气机各部件内部的典型复杂流动特点。研究结果表明：相比常规工质,超临界氦气离心压气机单级压比较低,但叶轮与扩压器的负荷和级效率较高,且超临界氦气整体流动为亚音流,只在叶片前缘局部出现超音区。     

气动力和离心力对风力机叶片应力影响研究

针对自行研制的NACA4415翼型水平轴风力机,通过流固耦合的数值模拟计算方法,考虑气动力和离心力以及两者耦合作用,选取叶片最大弦长、中部弦长、气动中心线展向以及最大应力点位置,分析风力机叶片在不同工况下的应力特性分布规律。结果表明:在气动力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力小于背风面应力,且随尖速比和入流风速增大而增大,最大应力点位置随着尖速比增大沿翼展向外且靠近叶片前缘方向延伸;在离心力作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,且随尖速比增大而增大,而最大应力点均在叶根最大弦长位置(9.93 mm,10.80 mm,-126.33 mm);在耦合作用下,叶片相同弦长位置处迎风面应力大于背风面应力,随尖速比和入流风速增大而增大,且依次大于气动力和离心力产生的应力,而最大应力点均在叶根最大弦长位置。仿真结果对于风力机翼型的选择及优化设计具有重要的理论意义及参考价值。     

基于叶片变形偏航下风力机叶片绕流流场的研究

针对偏航工况下风力机叶片与流场之间的相互作用而产生的变形影响叶片绕流流场问题,基于叶片变形对不同偏航工况下水平轴风力机叶片绕流流场进行双向流固耦合数值计算,分析偏航工况对风力机叶片变形和表面应力的影响,在此基础上研究不同偏航工况对叶片绕流流场的影响.结果表明,不同叶片上的变形和应力呈现不均匀性,且随偏航角增大,不均匀性...     

舰船燃气轮机高压涡轮动叶多维热耦合设计方法

针对舰船燃气轮机复杂高效冷却叶片设计,基于压力修正算法建立冷却叶片一维管网设计方法;通过快速求解可压缩边界层微分方程获得叶片外换热边界,基于参数化的叶片网格生成方法,采用全隐式有限体积的固体导热求解方法,构建了冷却叶片的耦合传热模型,开发了耦合传热计算程序。对某高压涡轮动叶进行多维热耦合设计,确定冷却流路及冷气分布,通过三维气热耦合计算验证了设计方案的可行性,通过对比分析验证了多维热耦合设计方法对主要流通单元的流量、压力误差小于5%,具备较高的工程应用价值。     

汽轮机末级转子叶片流固耦合计算

对于大展弦比的叶片,流场与结构的相互作用不可忽略。本文利用商业软件CFX和ANSYS对某汽轮机末级转子叶片进行了设计和非设计状态下的流固耦合计算,对两种状态下耦合前后的流场结果进行了对比分析,叶片结构计算采用了双向与单向两种耦合方式。结果表明,非设计状态下流场对结构变形具有更强的敏感性;在稳态载荷作用下,两种耦合方式下的叶片位移、应力值差别不大。     

Effects of different loads on structure deformation of “L”‐type large‐diameter buried pipe network based on flow–heat–solid coupling

Large‐diameter buried pipelines are widely used because of their energy‐saving advantages and high efficiency. In this paper, an “L”‐type heat pipe network was taken as the research object and was studied using the flow–heat–solid coupling method. The ANSYS Workbench platform was used to simulate heat transfer and the flow of the medium in the pipe network. The pressure and temperature of the flow field and the temperature and deformation of the solid structure under different conditions were calculated. Additionally, the deformation characteristics of the pipe network under coupled and noncoupled loads were compared. Results show that the maximum deformation was located at the corner of the elbow near the long‐arm region. The deformation of the inner wall was larger than that of the outer wall at the same position. The deformation of the pipe network was mainly affected by the pressure of the fluid. The deformation of the pipe network was influenced by the temperature and pressure loads coupled, and the coupling effect was stronger with the higher pressure and temperature of the medium. However, the coupling effect had limits.     

风力机叶片动态气弹变形及其对整机性能的影响

基于风力机整机刚柔耦合模型,文章提出了一种叶片动态气弹扭转变形分析的新方法。该方法采用SIMPACK和AeroDyn软件联合数值仿真对风力机在几种恶劣风况下进行动力学分析,通过对分析结果的变换处理,进而得到叶片在复杂工况下的动态气弹变形数据。采用该方法,重点分析了叶片气弹扭转变形对风力机气动功率及气弹稳定性的影响。该方法为大型风电叶片的气弹特性评价以及气弹剪裁设计提供了一种新的技术手段。     

风电机组柔性叶片在刚柔耦合作用下的非线性振动研究

文章考虑了叶片的刚柔耦合作用,利用仿真技术对某5 MW风电机组柔性叶片进行了非线性振动特性分析,揭示风力机叶片振动时的相互耦合规律。以风电机组刚柔耦合动力学效应为基础,对风电机组在多载荷耦合作用下,结合柔性叶片变形基本原理,探索风电机组刚柔耦合系统动力学参数变化规律。结果表明,叶尖出现位移的偏移量为17 mm,叶根的偏移量较小,保持与轮毂的刚性连接,该结论为风电机组的状态监测与稳定运行提供了参考。     

基于流固耦合的轴流泵叶轮强度分析

对某泵站卧式双向全调节轴流泵在正向抽水工况时各个转角下的叶轮强度进行了单向流固耦合计算,首先将CFD计算得到的叶片表面水压力作为结构面载荷加载到叶片上,再利用有限元软件ANSYS计算叶轮的强度,得到了各个工况下叶轮的静应力分布及变形情况。结果表明,在各叶片安放角下,叶轮静应力最大值随着扬程的升高而增大,且均出现在叶片与轮毂的结合处,应力集中易使此处产生疲劳破坏;最大变形量出现在叶片进水边靠近轮缘位置;静应力的最大值远小于叶轮材料的屈服强度,不足以使叶轮产生裂纹。