CN112861288B - 一种流体机械校核方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种流体机械校核方法及系统，属于流体机械技术领域。本发明根据设计的设备的参数建立固体域模型和流体域模型，并进行网格划分，对流体域采用三维非定常分析求得叶片表面非定常气动载荷，进而得到每个点的表面压力，将流体域表面压力通过节点坐标映射到固体域表面，进而获得叶片结构的稳态响应，固体域采用隐式动力分析方法，计算叶片承受离心预应力分布，进而得到叶片各点的气流弯应力，该方法能够实时反映做功部件叶片的瞬态三维应力情况，并采用Goodman图为校核准则的疲劳度评判方法，可在叶片设计阶段准确评判叶片疲劳寿命，找出叶片在设计过程中的薄弱环节，有助于优化设计。
Description
技术领域
本发明涉及流体机械技术领域，尤其涉及一种流体机械校核方法。
背景技术
目前，大流量泵、水轮机、汽轮机、压缩机、燃气轮机、阀等的叶片设计一直是工业领域的难点之一，在满足性能的前提下，要保证机组安全可靠，特别是核心做功部件---叶片的安全可靠，需要对叶片进行全新设计。由于机组功率越来越大，而效率要求越来越高，对叶片提出了更高的要求，疲劳断裂是叶片的主要失效形式，气流弯应力是产品设计疲劳可靠性时必须要满足的核心性能指标。目前，大部分研究叶片气流弯应力的计算采用的是常规的线性方法，无法考虑三维耦合以及瞬态效应的影响，无法反应叶片气流弯应力随时间变化的三维分布情况，需要更为精确的校核方法，在此基础上将该方法应用于实际泵、水轮机、汽轮机、压缩机、燃气轮机、阀等流体机械的三维设计中，开发出多类泵、汽轮机等产品。
中国专利申请文献CN104200003A公开了一种基于流固耦合的自锁阻尼叶片气流弯应力设计方法，该方法包括如下步骤：(1)将自锁阻尼叶片与周围流体作为一个三维耦合系统，设计一套面向节点坐标一一对应的迭代方法，并通过耦合求解叶片变形和流场得到叶片的气流弯应力；(2)根据自锁阻尼叶片的实际尺寸要求，采用Turbogrid软件建立流体计算区域，将网格输入到CFX计算该叶片周围的流场分布；(3)采用Solidworks软件建立固体计算区域，将CFX计算得到的叶片表面压力通过节点坐标一一映射到固体计算网格上，进行流固耦合计算，并在ANSYS中计算得到带预应力的气流弯应力；(4)通过安全倍率校核准则，判断气流弯应力分布是否满足设计要求，然后调整叶片叶型参数，循环计算得到所要设计的自锁阻尼叶片。该方法是通过安全倍率来判断气流弯应力是否满足设计要求，但是安全倍率的准确性依赖多个经验系数，经验系数对设计结果的影响较大，使设计结果受人为因素影响较大，不能客观根据实际情况给出最佳设计结果。
现有技术至少存在以下不足：
1.基于定常计算进行分析，计算精度有欠缺。
2.安全性评估方法依赖于经验系数。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提出一种流体机械校核方法，本发明根据设计的设备的参数建立固体域模型和流体域模型，并进行网格划分，对流体域采用三维非定常分析求得叶片表面非定常气动载荷，进而得到每个点的表面压力，将流体域表面压力通过节点坐标映射到固体域表面，进而获得叶片结构的稳态响应，固体域采用隐式动力分析方法，计算叶片承受离心预应力分布，进而得到叶片各点的气流弯应力，该方法能够实时反映做功部件叶片的瞬态三维应力情况，并采用Goodman图为校核准则的疲劳度评判方法，可在叶片设计阶段准确评判叶片疲劳寿命，找出叶片在设计过程中的薄弱环节，有助于优化设计。
本发明提供了一种流体机械校核方法，包括如下步骤：
S100：根据设计的设备的参数建立几何物理三维模型，所述设备的参数包括叶片和缸体结构的参数；
S200：根据建好的几何物理三维模型，建立固体域模型，并对固体域采用六面体和四面体混合网格划分；
S300：根据各叶片排模型，建立流体域模型，对流体域采用六面体结构化网格划分；
S400：将流体域网格导入流体动力学计算软件进行流体域计算，得到流体域的气动参数；其中，将转子转过一个叶片通道的时间分成多个离散时间步长；
S500：对每个叶片表面上每一点的气动载荷数据P(x，y，z，t)作Fourier分析，获得每一点的P0(x，y，z)、表面压力的幅值Pk(x，y，z)和相位
其中，
P0(x，y，z)为定常流场；
k＝1，2，3，…，为激振力的阶次；
N为上游相邻叶片排的叶片数；
Ω为转速；
Pk(x，y，z)为k阶激振力所对应的脉动流场的幅值分布场；
S600：将固体域网格导入固体力学计算软件进行固体域计算，给定不同工况的转速，得到叶片承受离心预应力分布；
S700：根据步骤S500中获得的每个叶片表面k阶激振力所对应的脉动流场的幅值分布场Pk(x，y，z)和相位分布场
以及步骤S600获得的叶片承受离心预应力分布，获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布；
S800：根据步骤S700中得到的叶片承受离心预应力，计算叶片在定常流场P0(x，y，z)作用下的应力分布，提取叶身表面各点的应力，得到叶身表面平均应力；
S900：根据叶片材料复合疲劳强度曲线和步骤S800得到的叶身表面平均应力，得到叶片在平均应力下的耐振强度Goodman图，并进行叶片振动强度安全性评判，如果不符合要求，返回步骤S100，循环迭代，直到满足评判要求。
优选地，步骤S400中所述流体域计算包括如下步骤：
在所述软件中预设所述设备入口的总压力值和总温度值；
在所述软件中预设所述设备出口的静力值；
设置工质为水或气体；
给定不同工况的转速，转速范围为设计工况的30％～120％；
湍流模型选择RNGκ-ε模型；
采用三维可压非定常计算方法，得到流体域的气动参数，所述气动参数包括压力、温度和速度。
优选地，步骤S400中的三维可压非定常计算方法中，三维可压非定常N-S方程组的守恒积分形式为：
其中，
h：流管高度；
ρ：流体密度；
v：水平方向速度分量；
u：竖直方向速度分量；
r：流动区域半径；
e：内能；
P：压力；
ug：网格移动水平方向速度分量；
vg：网格移动竖直方向速度分量；
A：计算单元面积；
S：源项。
优选地，步骤S400中，采用有限体积方法进行瞬态求解，当计算残差ε小于设定值时，结束计算；
ε＝|yn+1-yn| (3)
其中，
y为欲求解的气动参数；
(n+1)和(n)分别表示求解过程中第n+1步和第n步迭代。
优选地，步骤S600中所述固体域计算包括如下步骤：
将转轴部位设置为固定式；
设置工作转速；
采用隐式动力分析方法，采用有限元离散方法控制方程求解，计算叶片承受离心预应力分布。
优选地，所述计算叶片承受离心预应力分布包括如下步骤：
根据叶片的几何物理三维模型和叶片材料的密度得到叶片质量；
根据旋转轴半径、叶片转速、叶片质量和叶片横截面积，采用如下公式计算得到叶片承受离心预应力分布，计算公式为：
F＝m*ω∧2*r/A；
其中，
m为叶片质量；
ω为叶片转速；
r为叶片旋转轴半径；
A为叶片横截面积；
F为预应力。
优选地，步骤S700中中获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布包括如下步骤：
S7100：将S500中计算获得的每个节点的幅值相位形式的气动载荷Pk(x，y，z)和
写成实部和虚部的形式；
S7200：根据S600中计算得到的叶片承受离心预应力分布，将流体域表面压力通过节点坐标映射到固体域表面，通过响应分析，获得叶片结构的稳态响应；
S7300：将步骤S7200中得到的叶片结构的稳态响应与步骤S600中得到的叶片承受离心预应力分布做差值运算，得到叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布；
S7400：重复步骤S7100-S7300，得到叶片在不同激振力阶次k下的气流交变应力分布，直到满足精度要求，停止迭代，执行S7500；
S7500：将所有激振力阶次下的气流交变应力分布叠加，获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布；
优选地，步骤S800包括如下步骤：
通过数值分析获得叶片表面交变气流弯应力的分布；
根据叶片表面交变气流弯应力的分布，提取叶身表面各点的应力；
计算得到叶身表面的平均应力。
优选地，步骤S900包括如下步骤：
S9100：根据叶片材料复合疲劳强度曲线，得到叶片在平均应力下的耐振强度Goodman图；
S9200：输入步骤S800得到的叶身表面平均应力，通过步骤S9100得到的Goodman图，获得循环疲劳强度极限值，并根据预设安全裕量得到循环疲劳强度值范围；
S9300：根据步骤S700中得到的叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布得到叶
片各位置的切向和轴向交变应力与循环疲劳强度值的大小，将循环疲劳强度值与步骤S9200得到的循环疲劳强度值范围进行对比，进行叶片振动强度安全性评判：
如果超出循环疲劳强度值范围，则对所述设备的参数进行三维优化设计，得到设计优化后的产品模型，返回步骤S100，循环迭代，直到满足评判要求。
与现有技术相对比，本发明的有益效果如下：
(1)本发明在三维可压非定常算法中采用有限体积方法进行瞬态求解，可以获得叶片准确的三维交变应力分布；
(2)本发明采用以Goodman图为校核准则的动强度评判方法，在叶片设计阶段就能够准确评判叶片疲劳寿命，同时找出产品各部件特别是叶片在设计过程中的薄弱环节，有助于优化设计，减少设计的迭代次数以及后续的试验费用，为流体机械的高效高可靠性提供技术支持，本发明能够准确评估的疲劳寿命，快速迭代，提高设计的可靠度。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的技术路线图；
图2是本发明一个实施例所用泵的几何模型。
图3是本发明一个实施例所用泵的流体计算域几何模型。
图4是本发明一个实施例所用泵的流体计算域泵的整体压力图。
图5是本发明一个实施例泵叶轮内的流线图。
图6是本发明一个实施例泵叶片静压示意图。
图7是本发明一个实施例泵叶片某点应力的时程曲线图。
图8是本发明一个实施例某叶片Goodman校核图，图中的不同形状的小图形，是不同工况点下的值，都满足安全要求。
图9是本发明一个实施例优化设计的产品纵剖面示意图。
图10是本发明一个实施例优化设计的产品示意图。
图11是本发明一个实施例优化设计的产品示意图；
图12是本发明一个实施例的流体机械校核方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图1-12，对本发明的具体实施方式作详细的说明。
本发明提供了一种流体机械校核方法，包括如下步骤：
S100：根据设计的设备的参数建立几何物理三维模型，所述设备的参数包括叶片和缸体结构的参数；
S200：根据建好的几何物理三维模型，建立固体域模型，并对固体域采用六面体和四面体混合网格划分；
S300：根据各叶片排模型，建立流体域模型，对流体域采用六面体结构化网格划分；
S400：将流体域网格导入流体动力学计算软件进行流体域计算，得到流体域的气动参数；其中，将转子转过一个叶片通道的时间分成多个离散时间步长；
S500：对每个叶片表面上每一点的气动载荷数据P(x，y，z，t)作Fourier分析，获得每一点的P0(x，y，z)、表面压力的幅值Pk(x，y，z)和相位
其中，
P0(x，y，z)为：为定常流场；
k＝1，2，3，…，为激振力的阶次；其中N为上游相邻叶片排的叶片数；
Ω为转速；
Pk(x，y，z)为k阶激振力所对应的脉动流场的幅值分布场；
S600：将固体域网格导入固体力学计算软件进行固体域计算，给定不同工况的转速，得到叶片承受离心预应力分布；
S700：根据步骤S500中获得的每个叶片表面k阶激振力所对应的脉动流场的幅值分布场Pk(x，y，z)和相位分布场
以及步骤S600获得的叶片承受离心预应力分布，获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布；
S800：根据步骤S700中得到的叶片承受离心预应力，计算叶片在定常流场P0(x，y，z)作用下的应力分布，提取叶身表面各点的应力，得到叶身表面平均应力；
S900：根据叶片材料复合疲劳强度曲线和步骤S800得到的叶身表面平均应力，得到叶片在平均应力下的耐振强度Goodman图，并进行叶片振动强度安全性评判，如果不符合要求，返回步骤S100，循环迭代，直到满足评判要求。
作为优选实施方式，步骤S400中所述流体域计算包括如下步骤：
在所述软件中预设所述设备入口的总压力值和总温度值；
在所述软件中预设所述设备出口的静力值；
设置工质为水或气体；
给定不同工况的转速，转速范围为设计工况的30％～120％；
湍流模型选择RNGκ-ε模型；
采用三维可压非定常计算方法，得到流体域的气动参数，所述气动参数包括压力、温度和速度。
作为优选实施方式，步骤S400中的三维可压非定常计算方法中，三维可压非定常N-S方程组的守恒积分形式为：
其中，
h：流管高度；
ρ：流体密度；
v：水平方向速度分量；
u：竖直方向速度分量；
r：流动区域半径；
e：内能；
P：压力；
ug：网格移动水平方向速度分量；
vg：网格移动竖直方向速度分量；
A：计算单元面积；
S：源项。
作为优选实施方式，步骤S400中，采用有限体积方法进行瞬态求解，当计算残差ε小于设定值时，结束计算；
ε＝|yn+1-yn|(3)
其中，
y为欲求解的气动参数；
(n+1)和(n)分别表示求解过程中第n+1步和第n步迭代。
作为优选实施方式，步骤S600中所述固体域计算包括如下步骤：
将转轴部位设置为固定式；
设置工作转速；
采用隐式动力分析方法，采用有限元离散方法控制方程求解，计算叶片承受离心预应力分布。
作为优选实施方式，所述计算叶片承受离心预应力分布包括如下步骤：
根据叶片的几何物理三维模型和叶片材料的密度得到叶片质量；
根据旋转轴半径、叶片转速、叶片质量和叶片横截面积，采用如下公式计算得到叶片承受离心预应力分布，计算公式为：
F＝m*d∧2*r/A；
其中，
m为叶片质量；
ω为叶片转速；
r为叶片旋转轴半径；
A为叶片横截面积；
F为预应力。
作为优选实施方式，步骤S700中获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布包括如下步骤：
S7100：将S500中计算获得的每个节点的幅值相位形式的气动载荷Pk(x，y，z)和
写成实部和虚部的形式；
S7200：根据S600中计算得到的叶片承受离心预应力分布，将流体域表面压力通过节点坐标映射到固体域表面，通过响应分析，获得叶片结构的稳态响应；
在有限元软件中，采用谐响应分析，即可得到叶片结构的稳态响应；
S7300：将步骤S7200中得到的叶片结构的稳态响应与步骤S600中得到的叶片承受离心预应力分布做差值运算，得到叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布；
S7400：重复步骤S7100-S7300，得到叶片在不同激振力阶次k下的气流交变应力分布，直到满足精度要求，停止迭代，执行S7500；
S7500：将所有激振力阶次下的气流交变应力分布叠加，获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布；
作为优选实施方式，步骤S800包括如下步骤：
通过数值分析获得叶片表面交变气流弯应力的分布；
根据叶片表面交变气流弯应力的分布，提取叶身表面各点的应力；
计算得到叶身表面的平均应力。
作为优选实施方式，步骤S900包括如下步骤：
S9100：根据叶片材料复合疲劳强度曲线，得到叶片在平均应力下的耐振强度Goodman图；
S9200：输入步骤S800得到的叶身表面平均应力，通过步骤S9100得到的Goodman图，获得循环疲劳强度极限值，并根据预设安全裕量得到循环疲劳强度值范围；
S9300：根据步骤S700中得到的叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布得到叶片各位置的切向和轴向交变应力与循环疲劳强度值的大小，将循环疲劳强度值与步骤S9200得到的循环疲劳强度值范围进行对比，进行叶片振动强度安全性评判：
如果超出循环疲劳强度值范围，则对所述设备的参数进行三维优化设计，得到设计优化后的产品模型，返回步骤S100，循环迭代，直到满足评判要求。
实施例1
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的流体域计算方法进行详细说明。
将流体域网格导入流体动力学计算软件进行流体域计算，得到流体域的气动参数；其中，将转子转过一个叶片通道的时间分成多个离散时间步长；
流体域计算包括如下步骤：
在所述软件中预设所述设备入口的总压力值和总温度值；
在所述软件中预设所述设备出口的静力值；
设置工质为水或气体；
给定不同工况的转速，转速范围为设计工况的30％～120％；
湍流模型选择RNGκ-ε模型；
采用三维可压非定常计算方法，得到流体域的气动参数，所述气动参数包括压力、温度和速度。
其中的三维可压非定常计算方法中，三维可压非定常N-S方程组的守恒积分形式为：
其中，
h：流管高度；
ρ：流体密度；
v：水平方向速度分量；
u：竖直方向速度分量；
r：流动区域半径；
e：内能；
P：压力；
ug：网格移动水平方向速度分量；
vg：网格移动竖直方向速度分量；
A：计算单元面积；
S：源项。
上述过程中，采用有限体积方法进行瞬态求解，当计算残差ε小于设定值时，结束计算；
ε＝|yn+1-yn|
其中，
y为欲求解的气动参数；
(n+1)和(n)分别表示求解过程中第n+1步和第n步迭代。
实施例2
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的固体域计算方法进行详细说明。
将固体域网格导入固体力学计算软件进行固体域计算，给定不同工况的转速，得到叶片承受离心预应力分布，
固体域计算包括如下步骤：
将转轴部位设置为固定式；
设置工作转速；
采用隐式动力分析方法，采用有限元离散方法控制方程求解，计算叶片承受离心预应力分布。
所述计算叶片承受离心预应力分布包括如下步骤：
根据叶片的几何物理三维模型和叶片材料的密度得到叶片质量；
根据旋转轴半径、叶片转速、叶片质量和叶片横截面积，采用如下公式计算得到叶片承受离心预应力分布，计算公式为：
F＝m*ω∧2*r/A.
其中，
m为叶片质量；
ω为叶片转速；
r为叶片旋转轴半径；
A为叶片横截面积。
实施例3
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明的叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布的计算方法进行详细说明。
根据每个叶片表面k阶激振力所对应的脉动流场的幅值分布场Pk(x，y，z)和相位分布场
以及叶片承受离心预应力分布，获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布，具体包括如下步骤：
S7100：将S500中计算获得的每个节点的幅值相位形式的气动载荷Pk(x，y，z)和
写成实部和虚部的形式；
S7200：根据S600中计算得到的叶片承受离心预应力分布，将流体域表面压力通过节点坐标映射到固体域表面，通过响应分析，获得叶片结构的稳态响应；
在有限元软件中，采用谐响应分析，即可得到叶片结构的稳态响应；
S7300：将步骤S7200中得到的叶片结构的稳态响应与步骤S600中得到的叶片承受离心预应力分布做差值运算，得到叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布；
S7400：重复步骤S7100-S7300，得到叶片在不同激振力阶次k下的气流交变应力分布，直到满足精度要求，停止迭代，执行S7500；
S7500：将所有激振力阶次下的气流交变应力分布叠加，获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布。
实施例4
根据本发明的一个具体实施方案，下面对本发明采用Goodman图进行叶片振动强度安全性评价的方法进行详细说明。
根据叶片材料复合疲劳强度曲线和叶身表面平均应力，得到叶片在平均应力下的耐振强度Goodman图，并进行叶片振动强度安全性评判，如果不符合要求，返回步骤S100，循环迭代，直到满足评判要求。
具体包括如下步骤：
根据叶片材料复合疲劳强度曲线，得到叶片在平均应力下的耐振强度Goodman图；
输入叶身表面平均应力，通过上面得到的Goodman图，获得循环疲劳强度极限值，并根据预设安全裕量得到循环疲劳强度值范围；
根据叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布得到叶片各位置的切向和轴向交变应力与循环疲劳强度值的大小，将循环疲劳强度值与循环疲劳强度值范围进行对比，进行叶片振动强度安全性评判：
如果超出循环疲劳强度值范围，则对所述设备的参数进行三维优化设计，得到设计优化后的产品模型，返回步骤S100，循环迭代，直到满足评判要求。
实施例5
根据本发明的一个具体实施方案，附图10，为采用本发明的方法设计的一个泵的实例。
输入：三维模型的几何参数；泵的叶轮材料的参数；流动边界条件：进口温度、进口压力，出口压力，水的物性、转速。
步骤1：根据建好的三维模型，建立固体域和流体域，并对固体域采用六面体和四面体混合网格划分，对流体域采用六面体网格划分。
步骤2：进行流体域计算，得到流体域的气动参数。
步骤3：提取泵表面上每一点的气动载荷数据P(x，y，z，t)，并作Fourier分析，获得每一点的P0(x，y，z)、Pk(x，y，z)和相位
步骤4：进行固体域计算，对泵施加转速，得到泵身应力分布。
步骤5：将Pk(x，y，z)和
处理成实部和虚部形式，在步骤4中计算得到泵承受离心预应力分布，将表面压力和相位映射到固体域表面，通过谐响应分析，获得泵的稳态响应。
步骤6：将步骤5得到的稳态响应与步骤4的预应力分布做差值预算，得到泵的气流交变应力分布。
步骤7：计算激振力阶次k＝1、2和3时泵的交变应力值，并叠加所有激振力阶次下的气流交变应力分布。
步骤8：将P0(x，y，z)映射到固体域表面，得到泵在承受离心预应力和P0载荷时的应力分布，即为泵身的平均应力。
步骤9：根据Goodman曲线，以及步骤8得到的平均应力、步骤7得到的交变应力，进行叶片振动强度安全性评判。
输出：泵身振动应力满足设计要求。
采用本发明方法设计的泵，具有如下优点：
1.流体域的计算为非定常，计算精度高；
2.在叶片安全性评估方面，基于goodman校核图进行，计算精度高。
实施例6
根据本发明的一个具体实施方案，附图11，为采用本发明方法设计的一个汽轮机叶片的实例。
输入：三维模型的几何参数；汽轮机叶片材料的参数；流动边界条件：进口温度、进口压力，出口压力，水蒸汽的物性、转速。
步骤1：根据建好的三维模型，建立固体域和流体域，并对固体域采用六面体和四面体混合网格划分，对流体域采用六面体网格划分。
步骤2：进行流体域计算，得到流体域的气动参数。
步骤3：提取叶片表面上每一点的气动载荷数据P(x，y，z，t)，并作Fourier分析，获得每一点的P0(x，y，z)、Pk(x，y，z)和相位
步骤4：进行固体域计算，对叶片施加转速，得到叶身应力分布。
步骤5：将Pk(x，y，z)和
处理成实部和虚部形式，在步骤4中计算得到叶片承受离心预应力分布，将表面压力和相位映射到固体域表面，通过谐响应分析，获得叶片的稳态响应。
步骤6：将步骤5得到的稳态响应与步骤4的预应力分布做差值预算，得到叶片的气流交变应力分布。
步骤7：计算了激振力阶次k＝1、2和3时叶片的交变应力值，并叠加了所有激振力阶次下的气流交变应力分布。
步骤8：将P0(x，y，z)映射到固体域表面，得到了叶片在承受离心预应力和P0载荷时的应力分布，即为叶身的平均应力。
步骤9：根据Goodman曲线，以及步骤8得到的平均应力、步骤7得到的交变应力，即可进行叶片振动强度安全性评判。
输出：叶身振动应力满足设计要求。
采用本发明方法设计的汽轮机叶片，具有如下优点：
1.流体域的计算为非定常，计算精度高；
2.在叶片安全性评估方面，基于goodman校核图进行，计算精度高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种流体机械校核方法，其特征在于，包括如下步骤：
S100：根据设计的设备的参数建立几何物理三维模型，所述设备的参数包括叶片和缸体结构的参数；
S200：根据建好的几何物理三维模型，建立固体域模型，并对固体域采用六面体和四面体混合网格划分；
S300：根据各叶片排模型，建立流体域模型，对流体域采用六面体结构化网格划分；
S400：将流体域网格导入流体动力学计算软件进行流体域计算，得到流体域的气动参数；其中，将转子转过一个叶片通道的时间分成多个离散时间步长；
S500：对每个叶片表面上每一点的气动载荷数据P(x，y，z，t)作Fourier分析，获得每一点的P0(x，y，z）、表面压力的幅值Pk(x，y，z)和相位
其中，
P0(x，y，z)为定常流场；
k＝1，2，3，…，为激振力的阶次；
N为上游相邻叶片排的叶片数；
Ω为转速；
Pk(x，y，z)为k阶激振力所对应的脉动流场的幅值分布场；
S600：将固体域网格导入固体力学计算软件进行固体域计算，给定不同工况的转速，得到叶片承受离心预应力分布；
S700：根据步骤S500中获得的每个叶片表面k阶激振力所对应的脉动流场的幅值分布场Pk(x，y，z)和相位分布场
以及步骤S600获得的叶片承受离心预应力分布，获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布；
S800：根据步骤S700中得到的叶片承受离心预应力，计算叶片在定常流场P0(x，y，z)作用下的应力分布，提取叶身表面各点的应力，得到叶身表面平均应力；
S900：根据叶片材料复合疲劳强度曲线和步骤S800得到的叶身表面平均应力，得到叶片在平均应力下的耐振强度Goodman图，并进行叶片振动强度安全性评判，如果不符合要求，返回步骤S100，循环迭代，直到满足评判要求。
2.根据权利要求1所述的流体机械校核方法，其特征在于，步骤S400中所述流体域计算包括如下步骤：
在所述软件中预设所述设备入口的总压力值和总温度值；
在所述软件中预设所述设备出口的静力值；
设置工质为水或气体；
给定不同工况的转速，转速范围为设计工况的30％～120％；
湍流模型选择RNG κ-ε模型；
采用三维可压非定常计算方法，得到流体域的气动参数，所述气动参数包括压力、温度和速度。
3.根据权利要求2所述的流体机械校核方法，其特征在于，步骤S400中的三维可压非定常计算方法中，三维可压非定常N-S方程组的守恒积分形式为：
其中，
h：流管高度；
ρ：流体密度；
v：水平方向速度分量；
u：竖直方向速度分量；
r：流动区域半径；
e：内能；
P：压力；
ug：网格移动水平方向速度分量；
vg：网格移动竖直方向速度分量；
A：计算单元面积；
S：源项。
4.根据权利要求2所述的流体机械校核方法，其特征在于，步骤S400中，采用有限体积方法进行瞬态求解，当计算残差ε小于设定值时，结束计算；
ε＝|yn+1-yn| (3)
其中，
y为欲求解的气动参数，包括压力、速度和温度；
n+1和n分别表示求解过程中第n+1步和第n步迭代。
5.根据权利要求1所述的流体机械校核方法，其特征在于，步骤S600中所述固体域计算包括如下步骤：
将转轴部位设置为固定式；
设置工作转速；
采用隐式动力分析方法，采用有限元离散方法控制方程求解，计算叶片承受离心预应力分布。
6.根据权利要求5所述的流体机械校核方法，其特征在于，所述计算叶片承受离心预应力分布包括如下步骤：
根据叶片的几何物理三维模型和叶片材料的密度得到叶片质量；
根据旋转轴半径、叶片转速、叶片质量和叶片横截面积，采用如下公式计算得到叶片承受离心预应力分布，计算公式为：
F＝m*ω^2*r/A；
其中，
m为叶片质量；
ω为叶片转速；
r为叶片旋转轴半径；
A为叶片横截面积；
F为预应力。
7.根据权利要求1所述的流体机械校核方法，其特征在于，步骤S700中获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布包括如下步骤：
S7100：将S500中计算获得的每个节点的幅值相位形式的气动载荷Pk(x，y，z)和
写成实部和虚部的形式；
S7200：根据S600中计算得到的叶片承受离心预应力分布，将流体域表面压力通过节点坐标映射到固体域表面，通过响应分析，获得叶片结构的稳态响应；
S7300：将步骤S7200中得到的叶片结构的稳态响应与步骤S600中得到的叶片承受离心预应力分布做差值运算，得到叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布；
S7400：重复步骤S7100-S7300，得到叶片在不同激振力阶次k下的气流交变应力分布，直到满足精度要求，停止迭代，执行S7500；
S7500：将所有激振力阶次下的气流交变应力分布叠加，获得叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布。
8.根据权利要求1所述的流体机械校核方法，其特征在于，步骤S800包括如下步骤：
通过数值分析获得叶片表面交变气流弯应力的分布；
根据叶片表面交变气流弯应力的分布，提取叶身表面各点的应力；
计算得到叶身表面的平均应力。
9.根据权利要求1所述的流体机械校核方法，其特征在于，步骤S900包括如下步骤：
S9100：根据叶片材料复合疲劳强度曲线，得到叶片在平均应力下的耐振强度Goodman图；
S9200：输入步骤S800得到的叶身表面平均应力，通过步骤S9100得到的Goodman图，获得循环疲劳强度极限值，并根据预设安全裕量得到循环疲劳强度值范围；
S9300：根据步骤S700中得到的叶片在承受预应力状态下的气流交变应力分布得到叶片各位置的切向和轴向交变应力与循环疲劳强度值的大小，将循环疲劳强度值与步骤S9200得到的循环疲劳强度值范围进行对比，进行叶片振动强度安全性评判：
如果超出循环疲劳强度值范围，则对所述设备的参数进行三维优化设计，得到设计优化后的产品模型，返回步骤S100，循环迭代，直到满足评判要求。
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 基于流固耦合的增压器涡轮叶片结构强度分析;高旭南 等;《小型内燃机与车辆技术》;20141031;第43卷(第5期);全文 * |
| 多工况下离心压縮机叶片承载的流固耦合效应分析;谢蓉 等;《风机技术》;20131231(第5期);全文 * |
| 考虑流固耦合的轴流式叶片强度分析;商威 等;《河海大学学报（自然科学版）》;20090731;第37卷(第4期);全文 * |
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