航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片流固耦合振動的動力學(xué)特性研究.pdf

1、航空發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)葉片工作在高溫高壓高速及多相流耦合的復(fù)雜環(huán)境中，復(fù)雜的流場容易引發(fā)葉片的氣動彈性問題。如發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)第1、2、3級葉片和風(fēng)扇葉片由于具有較大的展弦比，容易發(fā)生顫振。另外，葉片的前緣或者尾緣的氣渦脫落現(xiàn)象經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)中被觀測到，該現(xiàn)象的發(fā)生會導(dǎo)致葉片表面的基力下降和能量的分離，也會引發(fā)葉片的顫振問題。盡管關(guān)于葉片/翼型顫振和流固耦合的理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方面的研究很多，但是限于各種復(fù)雜因素的影響，目前關(guān)于葉片/翼型顫振等流固耦合

2、問題的發(fā)作機(jī)理仍沒有一個(gè)公認(rèn)的解釋及有效的控制技術(shù)，致使不少機(jī)型的壓氣機(jī)初級葉片經(jīng)常發(fā)生斷裂故障。
　　鑒于葉片顫振的實(shí)驗(yàn)方法和直接的數(shù)值模擬的成本較高，且難于得到規(guī)律性的認(rèn)識，因此建立合理有效的模擬葉片/翼型流固耦合的簡化模型，研究物理參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)的影響十分必要的。由于在葉片的氣動彈性問題中經(jīng)常遇到非線性因素，因此從結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化的角度，研究非線性因素對系統(tǒng)響應(yīng)及分岔特性的影響是很有意義的。本論文建立了葉片流固耦合的簡化模型，利

3、用理論方法研究了系統(tǒng)參數(shù)對結(jié)構(gòu)振動的影響，對耦合系統(tǒng)可能發(fā)生的分岔模式進(jìn)行了深入的分析，為葉片設(shè)計(jì)中的振動控制和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。論文的主要研究內(nèi)容如下：
　　建立了準(zhǔn)定常來流作用下，彎扭葉片的兩自由度振動模型，同時(shí)考慮兩個(gè)自由度上的幾何非線性因素。利用數(shù)值方法研究了葉片發(fā)生顫振的臨界來流速度，利用平均法分析了系統(tǒng)的極限環(huán)運(yùn)動。分析了非線性剛度系數(shù)、質(zhì)心與剛心的無量綱距離和無耦合固有頻率比與系統(tǒng)顫振臨界來流速度的關(guān)系，將

4、理論結(jié)果與數(shù)值結(jié)果進(jìn)行了對比，二者吻合良好。
　　研究了亞音速無黏來流激勵下旋轉(zhuǎn)葉片的三自由度流固耦合系統(tǒng)的響應(yīng)特點(diǎn)與分岔特性。結(jié)構(gòu)的振動仍然采用兩自由度彎曲-扭轉(zhuǎn)模型來表征。不同以往對流體力的研究，引入表征流體波動特性的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，用van der Pol振子模擬來流升力系數(shù)的時(shí)變特性。同時(shí)考慮了結(jié)構(gòu)振動對流體運(yùn)動的作用。利用多尺度方法研究了流固1:1內(nèi)共振問題，根據(jù)幅頻響應(yīng)方程，利用奇異性理論得到了系統(tǒng)的雙參數(shù)分岔圖。同時(shí)得到

5、了每個(gè)參數(shù)區(qū)域內(nèi)的分岔曲線，分岔曲線的穩(wěn)定性通過Routh-Hurwitz判據(jù)來確定。著重分析了系統(tǒng)參數(shù)如調(diào)諧參數(shù)、縮減參數(shù)等對系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)分岔特性的影響。分析了當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)振動對流體運(yùn)動的作用時(shí)，耦合作用參數(shù)對結(jié)構(gòu)和流體的響應(yīng)變化趨勢的影響。利用Runge-Kutta方法對原系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到的數(shù)值結(jié)果與理論結(jié)果吻合良好。
　　漩渦脫落現(xiàn)象經(jīng)常在關(guān)于葉片/翼型的實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)，這種現(xiàn)象的發(fā)生有時(shí)也會引起結(jié)構(gòu)的大幅振動。為此，建

6、立了在含有限個(gè)離散渦的來流作用下，葉片渦激振動的三自由度耦合模型，同時(shí)考慮了葉片兩個(gè)自由度上的振動對流體運(yùn)動的影響。利用共形映射和疊加原理計(jì)算了具有有限個(gè)離散渦的來流對葉片/翼型產(chǎn)生的升力和力矩。渦強(qiáng)度的波動特性仍通過van der Pol振子來模擬。利用多尺度方法得到了耦合系統(tǒng)的1:1內(nèi)共振情況下的分岔方程。分析了參數(shù)對系統(tǒng)分岔特性(如鞍結(jié)分岔、Hopf分岔)的影響。比較了考慮和不考慮結(jié)構(gòu)振動對流體運(yùn)動的作用時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)呈現(xiàn)出的不同的

7、變化特點(diǎn)。利用Runge-Kutta方法對多尺度方法得到的理論結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　通過將旋轉(zhuǎn)的葉片簡化為連續(xù)的懸臂梁，利用van der Pol振子模擬來流渦的時(shí)變特性，建立了模擬葉片流固耦合的偏微分方程組。利用伽遼金離散方法將偏微分方程組簡化為關(guān)于流體和結(jié)構(gòu)一階模態(tài)耦合振動的常微分方程組，利用多尺度方法研究了耦合系統(tǒng)的1:1內(nèi)共振問題。利用兩狀態(tài)變量的奇異性理論，得到了系統(tǒng)的轉(zhuǎn)遷集以及每個(gè)分岔區(qū)域內(nèi)的分岔圖，并通過Routh-