基于流固耦合分析的通風(fēng)機(jī)葉輪動(dòng)力特性進(jìn)展

李俊，徐洪海，裘科名，張璟，莊益孌

（紹興市上虞區(qū)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，浙江 紹興 312300）

1 流固耦合的原理相關(guān)研究

陳海霞、祁文軍、王良英等人認(rèn)為在工業(yè)生產(chǎn)部門中，風(fēng)機(jī)是一個(gè)非常重要的機(jī)械設(shè)備，對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)的安全性而言，其運(yùn)行的狀況直接起著決定性作用。郎進(jìn)花對(duì)兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)失速演化過程的流固耦合相關(guān)理論進(jìn)行了研究分析，并認(rèn)為在風(fēng)機(jī)中，葉輪振動(dòng)是較為常見的一個(gè)故障，造成振動(dòng)的因素非常多，諸如未有平衡的轉(zhuǎn)子質(zhì)量等。胡強(qiáng)認(rèn)為在設(shè)計(jì)和制造過程中，針對(duì)風(fēng)機(jī)采取靜力分析時(shí)，一般情況下只會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)的離心力進(jìn)行考慮，而未對(duì)風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)特性給予充分的重視，特別是因?yàn)闅饬鲏毫γ}動(dòng)，從而造成的葉輪動(dòng)應(yīng)力問題的出現(xiàn)。翟艷釗認(rèn)為葉輪在具體進(jìn)行運(yùn)行的過程中，其結(jié)構(gòu)會(huì)在交變載荷的作用下，可能會(huì)有疲勞破壞的情況發(fā)生，從而產(chǎn)生非常大的安全隱患問題發(fā)生。而采取多物理場(chǎng)的數(shù)值模擬，則能夠?qū)⒋藛栴}得到較好的解決。

邢景棠、崔爾杰認(rèn)為流固耦合作為流體力學(xué)與固體力學(xué)交叉形成的學(xué)科，主要研究對(duì)象是變性固體在流場(chǎng)作用下會(huì)發(fā)生的變化，同時(shí)也包括固體變形對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響，這也是流固耦合力學(xué)的重要特征之一。王躍方、劉艷、郭婷認(rèn)為變形固體會(huì)受流體載荷作用的影響發(fā)生相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)或變形，這一作用同時(shí)也會(huì)影響到流場(chǎng)，會(huì)改變流體載荷的大小和分布，這也是產(chǎn)生流固耦合現(xiàn)象的重要因素。

國(guó)外關(guān)于流固耦合的原理研究相對(duì)完善，其研究歷史較久，流固耦合相關(guān)研究的起源是19世紀(jì)初期，流固耦合現(xiàn)象跟機(jī)翼和葉片的氣動(dòng)彈性問題有緊密關(guān)系，1915年Brewer對(duì)飛行實(shí)驗(yàn)失敗的原因進(jìn)行了分析，并認(rèn)為氣動(dòng)彈性靜扭轉(zhuǎn)發(fā)散是重要的原因，隨之關(guān)于此現(xiàn)象的研究逐漸增多。Irons提出了一對(duì)稱化方法，可以對(duì)流體慣性的矩陣可逆進(jìn)行描述，但是需要考慮到自由面線性波，在一些固有程序的使用過程中，自由面波被忽略，進(jìn)而影響了該方法的應(yīng)用。Xing J T，Price W G認(rèn)為可以通過開發(fā)混合有限元方法對(duì)流固耦合的現(xiàn)行動(dòng)態(tài)交互進(jìn)行理論分析，并對(duì)加速度的變量進(jìn)行彈性固體和流體壓力的參數(shù)分析，對(duì)流固耦合的相關(guān)理論從矩陣方程描述等方法進(jìn)行分析，對(duì)流固耦合理論也是一種豐富。

2 風(fēng)機(jī)在流固耦合分析中的進(jìn)展

2.1 分析流場(chǎng)的模型

吳正人、王松嶺、戎瑞等人實(shí)施Solid works軟件，對(duì)風(fēng)機(jī)模型進(jìn)行建立，對(duì)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)在建模期間，適當(dāng)相應(yīng)的簡(jiǎn)化，未對(duì)風(fēng)機(jī)集流器等情況進(jìn)行充分的考慮，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，為了讓其的得到更具有合理性，采取了網(wǎng)絡(luò)無關(guān)性的驗(yàn)證方式，最后對(duì)各個(gè)部分的網(wǎng)絡(luò)數(shù)量進(jìn)行確定。Shimura M，Sekine A認(rèn)為結(jié)構(gòu)和流體流動(dòng)的相互作用問題是計(jì)算風(fēng)工程的研究熱點(diǎn)之一，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的進(jìn)步和分析方法的進(jìn)步都為其提供了支持，作為一種具有長(zhǎng)跨度結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例，如運(yùn)動(dòng)拱頂或超高層建筑，風(fēng)工程的設(shè)計(jì)必須考慮到設(shè)計(jì)決策。Luongo A, Fabio F D分析了在一個(gè)或多個(gè)頻帶中包含多個(gè)頻率的細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的馳振模式之間的非線性相互作用現(xiàn)象。由于非線性模態(tài)耦合與氣動(dòng)力有關(guān)，所有的模態(tài)都在內(nèi)部共振。通過弱耦合組成的近周期系統(tǒng)，利用多尺度攝動(dòng)方法，得到了一種非線性微分方程在交互模式的振幅和相位上的系統(tǒng)，給出了雙光束系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果。確定了穩(wěn)態(tài)解發(fā)生的條件，研究了穩(wěn)態(tài)解的穩(wěn)定性，并討論了在交互模式中涉及能量交換的周期運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。對(duì)造成結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的小缺陷的影響給予了關(guān)注。

2.2 分析結(jié)構(gòu)場(chǎng)的模型

孫哲對(duì)結(jié)構(gòu)場(chǎng)的模型進(jìn)行了分析，從風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況下對(duì)葉輪強(qiáng)度進(jìn)行分析，得到幾點(diǎn)結(jié)論，第一，從葉輪受的不同載荷分析，離心力對(duì)葉輪強(qiáng)度起著決定性的作用，重力對(duì)等效應(yīng)力的大小和分布幾乎沒有影響，但它對(duì)葉輪總變形的大小和分布有一定影響，約占5．4%。而氣動(dòng)力對(duì)等效應(yīng)力的大小具有一定影響，約占3．6%，并且它對(duì)葉輪總變形的大小具有一定影響，約占2．5%。第二，在不同的穩(wěn)定工況下，葉輪最大等效應(yīng)力值有所不同，但差別很小，其中最大等效應(yīng)力值為160．97MPa，與葉輪材料的屈服強(qiáng)度相比，可知此風(fēng)機(jī)葉輪能夠滿足工作需要，是安全的。Squire H B通過建立了風(fēng)機(jī)模型，并對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行了定常數(shù)值模擬。為了獲得較高精度的模擬結(jié)果，對(duì)風(fēng)機(jī)各個(gè)部分的網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，模擬結(jié)果能夠很好地符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)我們研究結(jié)構(gòu)場(chǎng)模型具有積極的參考價(jià)值。

2.3 離心風(fēng)機(jī)和軸流風(fēng)機(jī)研究進(jìn)展分析

曹淑珍、向水生對(duì)離心風(fēng)機(jī)蝸殼流場(chǎng)的試驗(yàn)進(jìn)行了研究，通過五孔氣體動(dòng)力探針對(duì)離心風(fēng)機(jī)梯形截面蝸殼內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，得到蝸殼內(nèi)氣流參數(shù)的實(shí)際分布。就此進(jìn)行了初步分析，其結(jié)果對(duì)蝸殼的設(shè)計(jì)和改進(jìn)有一定的參考價(jià)值。李景銀、梁亞勛、田華對(duì)不同型線離心風(fēng)機(jī)葉輪的性能對(duì)比研究，采用常規(guī)單圓弧葉片和等減速葉片兩種不同型線葉輪的離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

丁學(xué)亮、葉學(xué)民、李春曦對(duì)軸流風(fēng)機(jī)葉片展向結(jié)構(gòu)變化對(duì)性能影響的數(shù)值進(jìn)行了研究分析，以O(shè)B-84軸流風(fēng)機(jī)為對(duì)象，采用Fluent模擬了葉頂切割和輪轂加粗后的風(fēng)機(jī)性能，分析了兩種改造方式對(duì)風(fēng)機(jī)性能、內(nèi)流特征及軸功率的影響。孫揚(yáng)智、肖世德、徐鑫凱等人對(duì)軸流風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片的氣動(dòng)噪聲進(jìn)行了研究分析，數(shù)值模擬結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)葉片上的靜態(tài)壓力主要集中在旋轉(zhuǎn)方向前方的葉面上。

3 結(jié)語(yǔ)

從國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，關(guān)于葉輪進(jìn)行的單向和雙向流固耦合理論相對(duì)完善，有一定的數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)也有風(fēng)機(jī)流場(chǎng)的模型研究，具有積極的參考價(jià)值，但是也存在一定的不足，一些研究都是在風(fēng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行工況區(qū)域進(jìn)行的。

今后可以考慮在風(fēng)機(jī)的不穩(wěn)定工況區(qū)域?qū)θ~輪的動(dòng)力特性進(jìn)行研究。雖然對(duì)葉輪進(jìn)行了單向和雙向流固耦合，但它們都是穩(wěn)態(tài)流固耦合，其考慮的氣動(dòng)力都是定常的，實(shí)際上氣動(dòng)力是隨時(shí)間變化的。今后可以對(duì)葉輪進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，這樣可以更加真實(shí)的反映實(shí)際情況，從而得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。

參考文獻(xiàn):

[1]陳海霞,祁文軍,王良英等．基于流固耦合的風(fēng)機(jī)葉輪疲勞特性研究[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015，(12):31-34．

[2]郎進(jìn)花．兩級(jí)動(dòng)葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)失速演化過程的流固耦合研究[D]．華北電力大學(xué),2015．

[3]胡強(qiáng)．對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)葉片氣固耦合動(dòng)力學(xué)特性數(shù)值研究[D]．山東科技大學(xué),2015．

[4]翟艷釗．混流式風(fēng)機(jī)大規(guī)模流固耦合振動(dòng)分析[D]．昆明理工大學(xué),2015．

[5]邢景棠,崔爾杰．流固耦合力學(xué)概述[J]．力學(xué)進(jìn)展,1997,27(1):19-38．

[6]王躍方,劉艷,郭婷．離心式壓縮機(jī)葉輪非定常流動(dòng)特性及動(dòng)力響應(yīng)研究進(jìn)展[J]．風(fēng)機(jī)技術(shù),2016，(5):81-87．

[7]金琰．葉輪機(jī)械中若干氣流激振問題的流固耦合數(shù)值研究[D]．清華大學(xué),2002．

[8]Irons B M． Role of part-inversion in fluid-structure problems with mixed variables[J]．Aiaa Journal,2012,8(8):568．

[9]Xing J T, Price W G． A Mixed Finite Element Method for the Dynamic Analysis of Coupled Fluid-Solid Interaction Problems[J]．Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical &Engineering Sciences,1991,433(433):235-255．

[10]吳正人,王松嶺,戎瑞等．基于流固耦合的離心風(fēng)機(jī)葉輪動(dòng)力特性分析[J]．動(dòng)力工程學(xué)報(bào),2013,33(1):53-60．

[11]Shimura M, Sekine A． Interaction analysis between structure and fluid flow for wind engineering[J]． Journal of Wind Engineering &Industrial Aerodynamics,1993,46-47(2):595-604．

[12]Luongo A, Fabio F D． Multimodal galloping of dense spectra structures[J]．Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynami cs,1993,48(2–3):163-174．

[13]孫哲．基于流固耦合的離心通風(fēng)機(jī)葉輪動(dòng)力特性分析[D]．華北電力大學(xué)(保定) 華北電力大學(xué),2012．

[14]Squire H B． The Secondary Flow in a Cascade of Airfoils in a Nonuniform Stream[J]．Journal of the Aeronautical Sciences,1951,18(4):271-277．