● 摘要
在叶轮机械中，流体诱导振动引起叶片强迫响应导致的叶片高周疲劳断裂是叶轮机械一类主要的结构破坏形式。所以，为了降低成本，节约能源，在设计阶段预测叶片的动力响应是十分必要且急切的。在流场中，由于叶片和流体相互作用，产生了极为复杂的流固耦合效应。本文针对这种情况，为了比较准确的预测强迫响应幅值，着重研究了三维流场中气动阻尼的计算方法。首先，从气动阻尼产生的机理出发，认为气动阻尼完全是由叶片振动产生的，所以在计算气动阻尼时，流场中仅存在由叶片振动引起的非定常气动力，不包含由进口畸变等引起的非定常气动力。根据这一原则，本文在建立气动阻尼模型时，只考虑孤立叶片的情况。其次，由于气动阻尼问题是典型的流固耦合问题，本文采用弱耦合方法来研究气动阻尼问题。实现过程如下：利用结构分析有限元软件ANSYS分析叶片的固有模态，将叶片的固有振动以一定的振幅水平施加到耦合交界面上实现动网格功能，再利用流体分析软件CFX计算叶片一个振动周期内的气动功，根据本文推导的等效粘性气动阻尼比的公式，分别计算了内外两种流场模型的一弯模态、一扭模态及弯扭耦合模态下的气动比，并考虑了来流马赫数、压力及叶片运动幅值对气动阻尼的影响。最后，本文利用得到的气动阻尼结果，计算了叶片在气动阻尼作用下的强迫响应。计算结果表明，气动阻尼对强迫响应的影响不可忽略。