基于流固耦合的部分進氣渦輪數(shù)值模擬研究

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第41卷第5期火箭推進V01．41，№．52015年10月JOURNALOFROCKETPROPULSION0ct．2015基于流固耦合的部分進氣渦輪數(shù)值模擬研究趙瑞勇，陳暉，劉軍年，毋杰(西安航天動力研究所，陜西西安710100)摘要：發(fā)展了三維線性插值算法用于CSD／CFD耦合計算數(shù)據(jù)交換，對某型液體火箭發(fā)動機部分進氣渦輪進行了氣，熱，固多學科耦合數(shù)值仿真。結(jié)果表明，發(fā)展的三維線性插值程序?qū)W(wǎng)格類型限制性小，計算簡單，計算量小，插值結(jié)果能夠滿足耦合計算要求。仿真結(jié)果表明，某型火箭發(fā)動機渦輪由于其部分進氣結(jié)構(gòu)設(shè)計和葉輪高速旋轉(zhuǎn)，設(shè)計工況下在渦輪轉(zhuǎn)子入口處產(chǎn)生了較強的激波，激波與邊界層干涉不僅使渦輪轉(zhuǎn)子葉片的載荷分布出現(xiàn)了強烈的不均勻性，同時在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)下，該渦輪轉(zhuǎn)子受到強烈的氣動、熱交變力沖擊，其結(jié)構(gòu)強度問題變得尤為突出。耦合計算分析認為設(shè)計工況下，該型渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計，轉(zhuǎn)子強度能夠滿足要求。關(guān)鍵詞：部分進氣渦輪；CFD／CSD；數(shù)值仿真中圖分類號：V434．21—34文獻標識碼：A文章編號：1672—9374(2015)05—0038—05Numericalsimulationmethodofpartialadmissionturbinebasedonfluid—structurecouplingZHAORuiyong，CHEN(Xi’anAerospacePropulsionHui，LIUJunnian，WUJieInstitute，Xi’an710100，China)Abstract：Athree—dimensionallinearinterpolationmethodisdevelopedfortheexchangeofCSD／CFDcouplingcalculationdatatoexecutenumericalsimulationofair／thermal／liquid．structurecouplingforapartialadmissionturbineinliquidrocketengine．Theresultsshowthatthedevelopedthree—dimensionallinearinterpolationprogramreliesongridtypeweakly，hasthecharacteristicsofsimplecalculationandlesscalculatedquantity，andcanmeettherequirementsofcouplingcalculation．Theresultsofthecouplingsimulationshowthataseriousshockwaveisgeneratedatinletofturbinerotor，whichmakesthebladeloaddistributionasymmetricalwhichhasanimportantimpactontheturbinerotor．Thecouplingcalculationandanalysisshowsthatthestrengthoftheturbinerotorwiththedesignedstructurecansatisfytherequirements．Thedesigncanprovideareferencefordesign收稿日期：2014—11-25；修回日期：2015—04—03作者簡介：趙瑞勇(1984一)，男，工程師，研究領(lǐng)域為液體火箭發(fā)動機渦輪泵設(shè)計，流固耦合仿真 第41卷第5期趙瑞勇，等：基于流固耦合的部分進氣渦輪數(shù)值模擬研究39andengineeringapplicationofthepartialadmissionturbineinacertaintypeofliquidrocketengineKeywords：partialadmissionturbine；CFD／CSD；numericalsimulation0引言部分進氣設(shè)計的燃氣渦輪機內(nèi)部流動極為復(fù)雜，由于粘性和復(fù)雜幾何條件引起的激波存在相互耦合，造成了流動的非定常性和非穩(wěn)定性，其內(nèi)流場氣動特性不同于一般燃氣渦輪。某型液體火箭發(fā)動機渦輪由于其部分進氣設(shè)計和葉輪高速旋轉(zhuǎn)導致葉輪受到強烈的交變力沖擊，對葉片應(yīng)力分布產(chǎn)生很大影響?？紤]真實工況的氣動、熱載荷進行葉輪強度計算對渦輪結(jié)構(gòu)設(shè)計和工程研制有著重要意義。限于整機試驗研究成本，隨著計算機技術(shù)和CFD技術(shù)的發(fā)展，對渦輪進行流固耦合數(shù)值仿真成為研究該問題的重要手段。在流固耦合仿真計算中，由于流體域和固體域耦合交界面網(wǎng)格疏密不一致，因此要想實現(xiàn)載荷傳遞與流固數(shù)據(jù)交換，尋求高效率、小誤差的CSD／CFD數(shù)據(jù)交換方法是實現(xiàn)耦合技術(shù)的關(guān)鍵：無限平板樣條(IPS)內(nèi)插值方法和其他插值方法發(fā)展到如今已成為處理機翼氣動彈性計算數(shù)據(jù)交換較為流行的方法。對于一般模型，有研究者采用最近取樣法和鄰近節(jié)點加權(quán)平均法實現(xiàn)流固耦合計算數(shù)據(jù)插值。在流固交界面網(wǎng)格疏密差異不太大且網(wǎng)格節(jié)點足夠密集的情況下，最近取樣法能夠滿足要求；在流固耦合交界面網(wǎng)格節(jié)點分布比較稀疏的情況下，鄰近點加權(quán)平均法能夠滿足要求，但是耗時較長。由于在流固耦合計算中，流體模型與固體模型網(wǎng)格密度往往不一致或者當流體網(wǎng)格發(fā)生形變交界面稀疏情況通常不明確，最近取樣法、鄰近點加權(quán)平均法誤差較大，有時甚至得到不正確的結(jié)果。文獻[1]中提出的六面體Lagrange插值法和四面體體積插值法對網(wǎng)格單元類型有限制性。文獻【2—3]提出了一種改進的常體積轉(zhuǎn)換法用于非線性氣動彈性。本文發(fā)展了全三維線性插值算法來進行CSD／CFD耦合界面數(shù)據(jù)交換。采用全三維線性插值算法對某型液體火箭發(fā)動機高轉(zhuǎn)速部分進氣渦輪進行了氣／熱／固多學科耦合仿真計算，為工程研制提供了重要的參考價值。1研究對象部分進氣燃氣渦輪機通流部分由噴嘴和工作葉片組成。首先高溫、高壓燃氣經(jīng)過噴嘴將氣體的可用焓降轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的動能；隨后高速燃氣以一定角度吹向葉輪，使葉輪高速旋轉(zhuǎn)，在此過程中完成了燃氣動能到葉輪動能的轉(zhuǎn)變。圖1部分進氣燃氣渦輪示意圖Fig．1SchematicdiagramofpartialadmissiIlllturbine本文研究的某型液體火箭發(fā)動機采用軸流式部分進氣單級沖動式渦輪機，葉片安裝同帶以減小葉尖漏氣損失，同時考慮渦輪與氧化劑泵之間的間隙密封(直徑間隙0．06mm)泄漏。該型渦輪具有高人口溫度、高渦輪壓比、高轉(zhuǎn)速的特點，因此由于其部分進氣特點及高氣動設(shè)計參數(shù)所帶來的結(jié)構(gòu)強度問題，對工程型號研制至關(guān)重要。傳統(tǒng)工程計算中，渦輪轉(zhuǎn)子強度計算氣動、熱載荷邊界條件通常采用經(jīng)驗預(yù)估或近似給出，無法準確考慮氣動、熱載荷影響。對某型部分進氣渦輪開展氣／熱／固多學科耦合仿真研究具有重要的工程價值。2CFD／CSD數(shù)據(jù)交換由于流場計算網(wǎng)格模型與強度計算網(wǎng)格模型采用分別建模分網(wǎng)，因此耦合交界面網(wǎng)格疏密程度不一致，且流體網(wǎng)格類型和固體網(wǎng)格類型往往 火箭推進2015年10月并不統(tǒng)一。發(fā)展了一種三維線性插值算法用于CSD／CFD流固耦合仿真數(shù)據(jù)交換。算法主要原理如下：每個FE(有限元)網(wǎng)格點選距離最近的10個CFD(流體)網(wǎng)格點，引入面積控制因子選出其中不小于其值的最近的4個點，這樣4個CFD網(wǎng)格點每3個就可以組成1個平面三角，依次選取每個平面三角作為插值平面△A181C1，在點A1，B1及C1上分別作△A181CI的法線，使得A1A2，B182及C1C2分別為點A1，B1及C1的流體載荷值(壓力、溫度)。過F(FE節(jié)點)點做AAlBlCl的法線，F(xiàn)E網(wǎng)格點沿選定平面法向量投影。在△A181C1和AA282C2上的交點分別為F1，F(xiàn)2，則F1F2為F(FE節(jié)點)點在該插值平面的流體載荷值(壓力、溫度)，如圖2所示。對每一個F(FE節(jié)點)點在4個插值平面上求得的4個F1F2流體載荷值選擇合適的權(quán)函數(shù)取加權(quán)平均值即為該F(FE節(jié)點)點的插值結(jié)果。A2C2C1Al圖2三維線性插值幾何示意圖Fig．2Geometricschematicdiagramofthree-dimensionallinearinterpolation程序?qū)λ憷哪承蜏u輪葉輪數(shù)值對比，其結(jié)構(gòu)場有限元壓力、溫度載荷準確的傳遞了CFD結(jié)果，本文發(fā)展的三維線性插值算法程序，對于渦輪機流固耦合計算過程中的數(shù)據(jù)交換，沒有網(wǎng)格類型限制，插值誤差較小，從而減小了耦合計算中由于數(shù)據(jù)傳遞帶來的結(jié)果誤差，使計算結(jié)果可信度高。3算例及結(jié)果討論3．1某型渦輪定常流場計算及結(jié)果分析某型液體火箭發(fā)動機渦輪泵由于其高比功率設(shè)計，渦輪機采用單噴嘴部分進氣結(jié)構(gòu)，同時渦輪腔設(shè)計小間隙(直徑間隙0．06mm)浮動環(huán)密封結(jié)構(gòu)減少工作中的燃氣泄漏。對該型渦輪機的數(shù)值模擬采用全周模型計算。限于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，仿真計算中發(fā)展了分塊建模技術(shù)，將計算域分為7個塊，最后將各個計算域分塊網(wǎng)格采用非一致網(wǎng)格技術(shù)合并為整個計算域，實現(xiàn)了部分進氣渦輪考慮微小間隙密封泄漏特性仿真計算。某型渦輪CFD網(wǎng)格模型如圖3所示。計算模型中進口域、渦輪轉(zhuǎn)子域、排氣管域及密封泄漏腔域5塊采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，軸向密封間隙采用6面體網(wǎng)格。全域1532807個單元節(jié)點。氣動、熱力計算采用FLUENT商用軟件求解3D定常粘性雷諾平均Navier—Stokes方程組。對控制方程的求解采用基于網(wǎng)格單元中心有限體積法，耦合隱式格式的時間推進算法；對控制方程對流項的離散采用2階迎風格式。湍流模型選擇RNGk-e湍流模型。采用高階精度格式對方程進行離散求解，平均殘差小于1x10巧作為收斂判別。動／靜交界面采用MixPlane。烈67客竺套蕊學’圖3某型渦輪CFD計算模型Fig．3CFDcalculationmodelofollespecialturbine圖4分別給出了仿真計算渦輪馬赫數(shù)、葉片表面壓力及溫度分布。從結(jié)果看出，總體上葉輪人口燃氣相對速度要比出口大。葉輪人口燃氣馬赫數(shù)最高可達2．4，葉輪流道人口為噴嘴出來的一斜切口，超音速燃氣在這里受到阻滯產(chǎn)生正激波；燃氣碰到葉片前緣，分開向吸力面和壓力面流動，在吸力面氣流繞過前緣以后先有一段加速過程，通道中間處燃氣維持亞音速流動。渦輪轉(zhuǎn)子在工作過程中近噴譬纛 第41卷第5期趙瑞勇，等：基于流固耦合的部分進氣渦輪數(shù)值模擬研究41雖!|蘸(a)馬赫數(shù)(I，)葉片壓力圖4某型渦輪CFD仿真計算結(jié)果Fig．4CFDsimulationresultofacertainturbine嘴處轉(zhuǎn)子葉片要承受由于局部進氣帶來的熱、氣動力不均勻帶來的交變載荷的影響，這在結(jié)構(gòu)設(shè)計上對渦輪轉(zhuǎn)子葉片提出了更高的要求。仿真計算與實驗結(jié)果對比如表l所示。表1某型渦輪仿真計算結(jié)果對比Tab．1Comparisonofsimulationresultsofacertainturbine靜壓肫撇部位——計算值試驗值計算值試驗值3．2某型渦輪氣、熱、固耦合強度計算及結(jié)果分析采用ANSYS有限元程序?qū)δ承蜏u輪轉(zhuǎn)子進行氣、熱、固單向耦合強度計算。渦輪機采用部分進氣方式造成葉片氣動i熱載荷分布不均勻，對葉輪轉(zhuǎn)子進行全周數(shù)值仿真。葉輪采用10節(jié)點四面體單元劃分網(wǎng)格，共213151個節(jié)點?？紤]離心力，轉(zhuǎn)速為54000r／min。材料為GH4169。有限元計算網(wǎng)格模型如圖5所示圖5某型渦輪有限元計算網(wǎng)格Fig．5FEcalculationmeshofacertainturbine曼撼簦壓力、溫度載荷邊界條件為流場計算的插值結(jié)果，插值結(jié)果如圖6所示?！瘒蘽；|e：E簍+Q鼷圉。1100譽(b)渦輪轉(zhuǎn)子溫度載荷圖6渦輪轉(zhuǎn)子載荷邊界條件(FE)Fig．6Loadboundaryconditionofturborotor分別對比圖4(b)、圖4(C)、圖6(a)及圖6(b)，可見應(yīng)用三維線性插值程序?qū)δ承蜏u輪CFD／CSD數(shù)據(jù)傳遞都得到了很好的結(jié)果。讖囂裟—口■●冒● 42火箭推進2015年10月圖7給出了考慮氣動、溫度、離心力載荷工況下的葉輪yon—mises應(yīng)力分布。黑％——百而熏P—而麗麗——f．覆¨一(}，)后緣應(yīng)力分布圖7渦輪轉(zhuǎn)子應(yīng)力分布Fig．7Stressdistributionofturbinerotor由圖7可以看出，某型渦輪轉(zhuǎn)子在設(shè)計轉(zhuǎn)速、氣動參數(shù)工況下，最大應(yīng)力為495MPa，出現(xiàn)在渦輪轉(zhuǎn)子近噴嘴部分葉片前緣葉根處。渦輪轉(zhuǎn)子前緣與后緣應(yīng)力較為平衡，整體應(yīng)力水平低于材料許用應(yīng)力895MPa，滿足使用要求。4結(jié)論發(fā)展了三維線性插值算法用于CFD／CSD數(shù)據(jù)交換，對某型液體火箭發(fā)動機高轉(zhuǎn)速部分進氣渦輪進行了氣動、熱、強度耦合仿真，得出以下結(jié)論：發(fā)展的三維線性插值算法對網(wǎng)格限制性小，結(jié)果精確，為多學科耦合仿真計算提供了數(shù)據(jù)交換工具，采用該方法對渦輪機進行氣動、熱、固耦合數(shù)值仿真具有較高的工程參考價值。對某型液體火箭發(fā)動機部分進氣渦輪機計算分析認為，葉輪人口燃氣相對馬赫數(shù)超音最高可達2．4，超音速燃氣在葉輪流道人口斜切口受到阻滯，產(chǎn)生正激波；近噴嘴處轉(zhuǎn)子葉片要承受由于局部進氣帶來的熱、氣動力不均勻帶來的交變載荷的影響，在設(shè)計轉(zhuǎn)速、氣動參數(shù)工況下，葉輪最大應(yīng)力為495MPa，出現(xiàn)在渦輪轉(zhuǎn)子近噴嘴部分葉片前緣葉根處，滿足強度使用要求，為工程研制提供了仿真依據(jù)。參考文獻：【1】汪學鋒等．流固耦合網(wǎng)格插值方法研究[J]．船舶力學，2009，l3(4)：571-578．[2]徐敏，史忠軍，陳士櫓．一種流體一結(jié)構(gòu)耦合計算問題的網(wǎng)格數(shù)據(jù)交換方法[J]．西北工業(yè)大學學報，2003，21(5)：533．535．【3】徐敏，陳士櫓．CFD／CSD耦合計算研究[J】應(yīng)用力學學報，2004，2l(2)：33．36．【4]SMITHMJ，HODGESDH．Evaluationofcomputationalalgorithmssuitableforfluid—structureinteractions[J]．Jou卜nalofAircraft，2000，37(2)：282-294．【5]MARTENSSONHans，LAUMERTBjom，F(xiàn)RANSSONTH．Aeromechanicalaspectsonunsteadyflowinturbines[C]／／Proceedingsof33rdAIAAFluidDynamicsConfer-enceandExhibit．Orlando，F(xiàn)lorida：AIAA，2003：3997．4002．【6]李立州．基于網(wǎng)格變形技術(shù)的渦輪葉片變形傳遞[J】航空動力學報，2007，22(12)：2101．2104．【7]趙瑞勇，王延榮．葉片顫數(shù)值模擬方法研究[D]．北京：北京航空航天大學，2010．【8】胡運聰，周新海．振動葉柵非定常流動數(shù)值模擬與葉片顫振分析[D】．西安：西北工業(yè)大學，2003．【9]伊進寶．部分進氣燃氣渦輪機葉輪流場數(shù)值模擬[J]．魚雷技術(shù)，2010，18(6)：456-460．(編輯：馬杰)