《實現葉輪機流固耦合數值模擬的一種新途徑》是依託北京航空航天大學，由孫曉峰擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：實現葉輪機流固耦合數值模擬的一種新途徑
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：孫曉峰
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目的研究目標就是通過對運動邊界模擬方法的研究和發展，將之更深入地用於葉輪機氣動彈性問題的數值模擬，以期對流固耦合的物理機制有進一步的理解和認識，同時也對葉輪機氣動彈性失穩的預測和控制方法提供新思路，新途徑。主要研究內容包括：其一是多域譜方法的發展和套用，並研究它在具體物理問題套用中的收斂性和計算穩定性問題；其二是在不同雷諾數條件下，在保證證邊界的高精度的前提下，實現單排，多排葉片的流固穩定性模擬並討論失穩判據；其三是完成平面葉柵風洞氣動彈性失穩實驗，以期與數值模擬結果進行定量對比。
結題摘要
目前研究葉輪機氣動彈性問題主要依靠動格線技術，以期深入刻畫動邊界對氣動彈性耦合機制的影響。然而，在真正的流固耦合中，固體受力必將帶來變形和位移，而用於每一時間步生成格線的時間是很大的計算開銷，已經有研究人員估計這個時間代價甚至有可能達到總計算時間的60%。由此我們可以看到，流固耦合的這個難點實際就是運動邊界的處理。從現在的發展趨勢來看，通過調整格線來適應邊界運動的處理方法，都不可避免地帶來巨大的時間消耗。此外，即使是在運動格線技術發展至今，在目前的技術路線下，如何實現真正的“強耦合”依然是值得探索的重要問題。很顯然，很有必要從一種全新的視角來探討如何走出一條葉輪機氣動彈性問題模擬的新途徑。我們注意到浸入式邊界方法由於避免了重新生成格線，處理運動邊界以及複雜幾何問題是其得天獨厚的優勢。這個方法首先被用來並模擬異常複雜的心臟內血液流動的問題，隨後被大量的套用於各種流動問題。在流固耦合算法上，運用浸入式邊界模擬流固耦合，具有天然的優勢。固體邊界是由流場的條件構築的，也就是說邊界對流場細節的“感受性”很好。 流固耦合中的參數和能量傳遞過程邊界已經自動滿足了。本項研究中，我們已經將浸入式邊界方法這一強有力的工具引入到了葉輪機氣動彈性數值模擬中來，已獲得的結果表明，該方法的發展與運用在研究流固耦合的物理機制以及耦合算法方面有明顯優勢，可以為葉輪機葉片顫振的數值預測提供新的途徑，新的思路。具體的講，本項目圍繞擬定的研究目標完成的主要研究內容包括：發展了多域譜方法，並研究它在具體物理問題套用中的收斂性和計算穩定性問題，這個方法對於全局譜方法計算有明顯優點，在靠近物面之處的近場計算採用加密的譜格線，而遠離物體可以採用稀疏格線獲得高精度結果；其二是在不同雷諾數條件下，在保證邊界的高精度的前提下，實現單排，多排葉片的流固耦合的穩定性模擬並研究了葉片顫振失穩的新判據；與目前廣泛採用的預測葉片顫振的能量方相比，我們發展的折合速度判據更適合基於時域的流固耦合計算。此外，我們在一台低速葉輪機上完成了旋轉葉片振動機理的模擬非定常實驗，為這方面的進一步工作打下了初步基礎。
