喷水推进双级轴流泵流体动力性能CFD分析

采用高质量结构化网格对某喷水推进双级轴流泵整个数值模拟系统的各部件进行区域离散,利用CFD方法预报该泵扬程、功率和效率等外特性,分析其内部流动情况。计算结果与实验数据的较好吻合证明了CFD方法可以作为通过试验求取喷水推进双级轴流泵特性曲线的辅助方法。研究中对有、无轴情况下双级轴流泵外特性的预报和比较结果表明,轴对该泵动力性能预报结果影响不大;通过计算叶片压力分布,验证了该双级泵叶轮叶片设计中采用的线型;通过观察一、二级导叶出口的流动状态,分析了该泵设计中存在的缺陷,并为导叶改进设计提出建议。     

透平机械离心压缩机和离心泵叶轮动力分析的三维旋转循环对称CN群算法

以离心压缩机叶轮为例,建立三维有限元模型,采用循环对称CN群算法计算了它的动力特性,详细讨论离心力作用下叶轮的应力状态,分析与轴连接的不同方式对叶轮应力的影响。应用循环对称算法能大大减少建模与计算的工作量,有很好的实用价值。计算结果表明,离心压缩机叶轮在旋转中,叶轮外缘应力比较高,轮盖上的应力较轮盘上的应力大,叶片根部容易产生应力集中,应采用适当的园角避免应力集中,过盈配合的叶轮内孔处应力比较大,需要确定合理的过盈量,既要保证叶轮不松动也要保证叶轮内孔处的强度条件。     

考虑榫接接触刚度的叶轮耦合振动特性计算方法研究

对叶片轮盘典型榫接结构的接触刚度进行了分析,给出了叶轮间接触刚度的计算方法;建立了叶片轮盘榫接耦合计算模型,采用对称循环分析方法对叶轮进行振动特性计算,得到叶轮耦合结构在不同工作转速下的振型及频率;对叶轮耦合结构进行锤击模态试验得到实际频率值。本文计算值与实测值在前3阶的相对误差分别为2.38%、1.58%、3.18%,误差均较小,验证了本文方法的可行性。     

基于有限元方法的航空发动机叶片应力强度因子计算

为研究叶片裂纹尖端的应力奇异性,以某型航空发动机压气机叶片为例,利用有限元方法研究了叶片裂纹尖端应力强度因子的计算方法,并研究了旋转叶片振动状态下裂尖应力强度因子随裂纹长度的变化规律。建立计算模型时,在裂纹尖端划分了三维奇异单元,在裂尖外围划分了过渡单元。计算结果表明：研究旋转叶片振动状态下的裂尖应力奇异性,仅利用I型应力强度因子就具有足够的精度;对于同一裂纹,绝大多数情况下叶盆面应力强度因子大于叶背面应力强度因子,故研究叶片应力强度因子时只需研究叶盆应力强度因子即可;随着裂纹扩展,叶盆面I型应力强度因子不断增大。本文的研究方法及结论为进一步研究叶片的裂纹扩展规律及损伤容限奠定了基础。     

离心式叶轮流体激振响应及动态疲劳的研究

研究离心式叶轮的动力特性及流体激振下的稳态响应。讨论结构动态疲劳理论,认为流体激振激起了叶轮的共振,是动态疲劳,特点是激励频率高,幅值低,能量小,激起结构多个固有模态,主要是局部模态的共振。通过一个工程实际叶轮算例,研究动态疲劳破坏的机理。采用循环对称理论,计算叶轮的模态及离心力作用下的应力分布,对流体的压力脉动进行了频谱分析。将叶片表面的静压脉动作为载荷施加于叶轮上进行频率响应分析,得到叶轮在各频率成分激振力作用下的响应,最后根据频率响应的结果计算了叶轮的疲劳寿命,为叶轮疲劳破坏提供了分析依据和计算方法。     

基于POD和代理模型的静气动弹性分析方法

静气动弹性问题考虑弹性结构与定常气动力间的相互耦合作用,对飞行器的性能和安全具有显著的影响.在现代飞行器设计阶段,计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)直接耦合方法是精确考察静气动弹性影响的重要手段.然而,基于CFD技术的气动力仿真手段在耦合过程中计算量大且耗时长,难以满足设计阶段的需求.因此,为了兼顾计算精度与效率,文章采用本征正交分解(POD)和Kriging代理模型相结合的模型降阶方法,替代CFD求解过程并耦合有限元分析(FEA)方法,建立了高效、准确的静气动弹性分析框架.相较于传统的以模态法为主的静气动弹性分析方法,该方法能够解决更为复杂的静气动弹性问题以及提供静气动弹性变形过程中的气动分布载荷.针对典型三维跨声速HIRENASD机翼模型开展的马赫数、迎角变化的算例验证表明:由建立的静气动弹性分析方法与CFD/CSD直接耦合方法计算得到机翼翼梢处的静变形量间的相对误差在5%以内;同时该方法预测静平衡位置处的气动分布载荷的误差在5%以内,静气动弹性分析的计算效率至少提升了6倍.     

柴油机废气涡轮增压器压气机的气动噪声源特性研究

基于雷诺时均方程(RANS)及双方程湍流模型,建立了船用大功率增压器压气机的内部流场计算模型;计算了压气机叶轮流道内的流速分布和湍流流场,得到叶片顶部出口附近的流速分布在1.02马赫和1.1马赫之间;采用基于声比拟的数值积分方法(FW-H方程),得到了压气机叶轮的气动噪声源,并比较了主叶片和分流叶片顶部出口位置的气动噪声频谱特征,发现两者的噪声级及叶频分布存在差异。计算表明:压气机在轴频及其谐波频率处的噪声远小于叶频噪声,主流叶片及分流叶片紊流的噪声成因不同;压气机内部流噪声源的大小主要取决于气流速度;压气机转速由8000r/min增加至16000r/min、由16000r/min增加至22000r/min,流噪声的幅值约增加12dB。     

机翼双梁模型的动力学修正及应用

由于全尺寸机翼有限元模型太过复杂,不能用于大型客机翼吊发动机振动载荷的传递特性研究,本文提出了一个全新的机翼双梁动力学模型概念。基于机翼双梁模型的主要模态对其结构刚度不确定参数的灵敏度分析,选取翼梁及翼肋的水平、垂直、扭转刚度参数作为有效设计变量对双梁模型进行了动力学修正,使其与全尺寸机翼有限元参考模型前6阶模态频率的最大误差小于11.11%,大大提升了机翼双梁模型的动力符合性;集成建立了大型客机“吊架-机翼-机身”全机动力有限元模型,并计算了巡航状态下发动机振动载荷经机翼传递到机身各框段的动载荷分布特性。分析结果表明：机翼双梁模型较好地满足了发动机振动载荷传递及振动传递路径分析研究需求,为民机舱内声学预计及发动机隔振安装设计提供了基础数据。     

汽轮机动叶片的可靠性设计方法

提出了汽轮机叶片可靠性设计方法,介绍了叶片可靠性的含义和计算方法。该方法以概率论和统计学为基础,把汽轮机叶片的静应力、动应力、叶片疲劳强度、叶片安全倍率、叶片振动频率和激振力频率处理为随机变量,通过试验数据的统计分析和计算,确定有关随机变量的分布参数。使用概率设计法、应力与强度干涉模型确定汽轮机叶片疲劳强度和振动设计的可靠度。文中给出了叶片疲劳强度的动应力设计法和安全倍率设计法以及第一种调频叶片、第二种调频叶片和整圈连接叶片组的振动可靠性设计的计算公式和一些应用实例。使用这些方法,可以在设计阶段确定汽轮机叶片设计的可靠度,为汽轮机叶片的可靠性设计提供了科学的依据。     

考虑流固耦合的近海风电支撑体系自振特性分析

近海风电支撑结构的自振特性是此类结构抗震设计的基础.以某海上风电场1.5MW风电基础支撑体系为背景,考虑流固耦合效应,采用有限元方法对近海风电支撑体系的自振频率和振型进行了计算分析.文中首先将单桩无水工况的数值结果与解析结果做了比较,验证了本文有限元模型的准确性.在此基础上,分单桩有水、单桩无水、四桩有水和四桩无水四种工况进行了支撑体系的自振特性分析,给出了前十阶自振频率和振型,探讨了势流体水层对近海风电支撑体系自振特性的影响.结果表明:水层的存在对单桩体系的前两阶自振频率以及四桩体系的前四阶自振频率影响甚小;总体而言,水层对单桩体系三阶以后的自振频率的影响要明显大于对四桩体系五阶以后的自振频率的影响;本文选取的近海风电支撑体系的各阶频率均能有效避开马达转动频率和叶轮扫略频率.     

PIV measurement of internal flow characteristics of very low specific speed semi-open impeller

Detailed particle-image velocimetry (PIV) measurements of flow fields inside semi-open impellers have been performed to understand better the internal flow patterns that are responsible for the unique performance of these centrifugal pumps operated in the range of very low specific speed. Two impellers, one equipped with six radial blades (impeller A) and the other with four conventional backward-swept blades (impeller B), are tested in a centrifugal pump designed to be operated at a non-dimensional specific speed of n_s=0.24. Complex flow patterns captured by PIV are discussed in conjunction with the overall pump performance measured separately. It is revealed that impeller A achieves higher effective head than impeller B even though the flow patterns in impeller A are more complex, exhibiting secondary flows and reverse flows in the impeller passage. It is shown that both the localized strong outward flow at the pressure side of each blade outlet and the strong outward through-flow along the suction side of each blade are responsible for the better head performance of impeller A.     

离心式渣浆泵叶轮磨损规律研究

在实验室条件下对离心式渣浆泵叶轮的磨损规律进行了研究，并对泵轮叶片间流道的颗粒运动轨迹进行数值模拟。探讨了磨粒浓度、泵转速、叶片几何参数、运行时间及磨粒粒径对泵轮磨损的影响。研究表明：叶片的磨损强度与泵轮转速呈５次方关系，叶片进口角对磨损强度影响明显，出口角对磨损强度影响不大，研究结果对渣浆泵的设计具有重要的参考价值。     

基于流固耦合的跨声速压气机叶片静气动弹性分析

采用时域推进的双向流固耦合方法对一级跨声速压气机叶片流场和固体域进行数值模拟,研究跨声速转子叶片静气动弹性变形及其对气动性能的影响,对比分析了100%转速下转子叶片的气动特性和固有频率的变化.结果表明:转子叶片在气动力和离心惯性力共同作用下的弹性变形以扭转变形为主,气动力对叶尖前缘变形量的影响可达总变形量的20%.转子叶片变形后通道流通能力增强,气动特性曲线向大流量方向偏移.     

基于仿生设计的风力发电机叶片力学性能的实验研究

根据风力机的基本理论和相似理论设计了一个翼型为SG6050,半径为1m的小型风力机叶片。运用结构仿生学原理,对所设计的风力机叶片进行了仿生物中轴铺层设计。通过模态实验与应变实验,比较了传统设计与仿生设计两种不同风力机叶片的力学性能。模态实验结果表明,基于仿生设计的叶片的前六阶固有频率比传统叶片的前六阶固有频率减少约8％;两种叶片的固有频率均满足设计要求;仿生设计的叶片几乎不会改变叶片的动态特性。而应变实验表明,仿生设计的叶片在各种工况下的应变均大于传统的叶片约10％～20％。新设计的叶片具有较好的柔性,有效减小了叶片的应力,提高了叶片的疲劳寿命。     

叶片型线对离心油泵性能的影响

以65Y60型离心油泵为研究对象，研究了液体不同粘度下叶片型线对泵性能的影响。首先，利用本课题组独立开发的准三元叶片设计程序以反问题方式设计了两种型线。这两种型线叶片前半部分与原一元叶轮叶片的型线不同、后半部分与一元叶轮相同。然后在不同粘度下将三个叶轮进行性能对比实验。研究表明，叶片进口附近的型线的改变对泵性能有较大影响；适当增大叶轮后盖板流面上的叶片流体动力负荷有助于提高离心油泵输送粘油时的水力性能。     

Application of bamboo laminates in large-scale wind turbine blade design

From the viewpoint of material and structure in the design of bamboo blades of large-scale wind turbine, a series of mechanical property tests of bamboo laminates as the major enhancement materials for blades are presented. The basic mechanical characteristics needed in the design of bamboo blades are briefly introduced. Based on these data, the aerodynamic-structural integrated design of a 1.5 MW wind turbine bamboo blade relying on a conventional platform of upwind, variable speed, variable pitch, and doubly-fed generator is carried out. The process of the structural layer design of bamboo blades is documented in detail. The structural strength and fatigue life of the designed wind turbine blades are certified. The technical issues raised from the design are discussed. Key problems and direction of the future study are also summarized.     

Three-to-One Internal Resonances in Parametrically Excited Hinged-Clamped Beams

The nonlinear planar response of a hinged-clamped beam to a principal parametric resonance of either its first or second mode or a combination parametric resonance of the additive type of its first two modes is investigated. The analysis accounts for mid-plane stretching, a static axial load, a restraining spring at one end, and modal damping. The natural frequency of the second mode is approximately three times the natural frequency of the first mode for a range of static axial loads, resulting in a three-to-one internal resonance. The method of multiple scales is used to attack directly the governing nonlinear integral-partial-differential equation and associated boundary conditions and derive three sets of four first-order nonlinear ordinary-differential equations describing the modulation of the amplitudes and phases of the first two modes in the cases of (a) principal parametric resonance of either the first or the second mode, and (b) a combination parametric resonance of the additive type of these modes. Periodic motions and periodically and chaotically modulated motions of the beam are determined by investigating the equilibrium and dynamic solutions of the modulation equations. For the case of principal parametric resonance of the first mode or combination parametric resonance of the additive type, trivial and two-mode solutions are possible, whereas for the case of parametric resonance of the second mode, trivial, single, and two-mode solutions are possible. The trivial and two-mode equilibrium solutions of the modulation equations may undergo either a supercritical or a subcritical Hopf bifurcation, depending on the magnitude of the axial load. For some excitation parameters, we found complex responses including period-doubling bifurcations and blue-sky catastrophes.     

基于Schmitz理论的风叶气动设计研究

应用Schmitz理论进行叶片气动设计,考虑了风力机叶片的气动损失,用Schmitz理论推导出风力机叶片的基本设计参数的计算公式,并考虑了风力机在启动和空载时风力机的实际工作点偏离了设计点,对叶片的气动性能参数进行了修正。通过对200kW风力机的算例表明:随着叶片半径的增大,入流角逐渐减小;叶片弦长先增大后减小,修正后得到的风力机在非设计点处的推力、驱动力矩、功率与实际风力机的特性规律相符。     

CAE技术在井架设计中的应用

应用GAE技术，针对ZJ30／1700CZ钻机井架分别进行了静态分析及在自然状态和有钩载情况下的模态分析，为合理设计钻机井架结构提供了理论依据。通过分析计算，可以看出：所设计的井架的静态强度满足要求；经动力再设计后的井架固有频率与钻机的设计工作转速相差较大，达到工程要求，表明修改后的井架设计方案合理。     

径,混流式前向三元叶轮成型设计研究

本文提供了一个径、混流式前向三元叶轮成型设计的计算方法和计算机程序(逆命题).着重讨论了前向三元叶轮成型设计与计算中的若干问题(包括前向叶轮的加载特点、流线导数和曲率及子午弧长的计算、流线插值、初场的给定、松驰因子的选取及子午流道形状的数值设计.最后给出了一个应用本文方法和程序设计出的实例.