迷宫密封-转子系统非线性动力学模型及求解

摘 要：迷宫密封广泛应用于各种旋转机械,研究密封内流体与转子的相互作用,对系统稳定性分析有重要意义。本文利用双控制体模型给出迷宫密封内不可压缩流场的控制方程,并用Jeffcot模型对转子-密封系统建模,求解此非线性动力模型得到系统转子位移与密封腔内压强的数值解。以不平衡转子-密封系统为例,计算分析系统非线性动力特性,并用Hopf分岔图与Poincare截面图进行直观表示。结果表明减小转子质量偏心对提高系统稳定性有较大影响。     

多排环境下转子叶片气动弹性稳定性机理分析

传统叶片颤振分析多是基于单转子研究模型,发动机的紧凑性要求导致级间距减小,多排耦合作用对颤振的影响将不容忽视。采用自行开发的程序对某型1.5级高压压气机进行了流固耦合数值模拟,分析上、下游叶排对转子叶片颤振特性的影响。针对典型工况,分别进行了单转子模型,导叶转子模型,转子静子模型,导叶转子静子模型的叶片气动弹性稳定性分析。研究表明,激波振荡对颤振特性影响显著;多排环境下存在非定常压力波的反射和叠加,明显改变转子叶片表面的非定常压力幅值和相位,进而改变转子叶片气动弹性稳定性。多排干涉作用提高了转子叶片的气动阻尼,尤其是上、下游叶排同时作用时阻尼提高了近732.7%。     

基于大涡模拟考虑叶片停机位置大型风力机风振响应分析

为研究停机状态下不同叶片位置对大型风力机塔架-叶片体系风振响应的影响,以某3 MW大型水平轴三叶片风力机为研究对象。基于大涡模拟(LES)方法对叶片八个不同停机位置下的风力机体系流场和气动力性能进行了数值模拟,并通过与国内外实测数据对比验证了该方法的有效性;结合有限元法对考虑叶片不同停机位置的风力机塔架-叶片耦合模型进行了动力特性和风振响应时域分析。主要结论为:不同叶片停机位置对风力机塔架绕流特性和气动力分布影响显著,塔架中上部风振响应受叶片不同停机位置的影响最大,尤其是迎风面和背风面的脉动位移均方差响应较大,相应最大值出现在工况八下塔顶350°位置;最大塔底弯矩出现在工况二的环向330°位置;工况五下三叶片叶尖顺风向位移响应峰值2.5 m;研究表明在进行大型风力机抗风设计时应考虑不同叶片停机位置的影响。     

轴系运行工况对轴系-基座-壳体耦合振动影响研究

螺旋桨推进轴系与船体艉部耦合振动是制约船体减振降噪的重要因素,研究其成因机制和影响因素对于识别和有效控制船体艉部振动和噪声具有重要意义。故从轴系运行状态着手,基于有限元转子动力学理论,对轴系-基座-壳体耦合振动影响因素如轴系运行工况、校中状态及激振力等进行分析。在直线校中状态下,选定轴系四种运行工况,运用雷诺方程计算各工况下支撑轴承压力分布及八动力特性参数,引入轴承润滑油膜和水膜刚度和阻尼矩阵,将各支撑轴承离散成多点支撑,在此基础上建立轴系-基座-壳体系统有限元模型,计算多激励下系统动力响应,采用有限元功率流分析各工况下支撑轴承传递特性对系统耦合振动的影响。结果表明,不同工况下轴承支撑特性会导致系统耦合振动特性不同,经轴系传递到壳体上的功率流也会产生相应变化,最终将会引起不同的辐射噪声。     

变振幅激励下的液阻橡胶隔振器动态特性分析

实验测试了一典型液压衬套的动态特性,验证了其振幅相关性与频率相关性的耦合关系。基于网格叠加方法,建立了超弹性-粘弹性-弹塑性叠加的橡胶隔振器粘弹塑性材料模型。分别使用超弹性-粘弹性模型（VE模型）和超弹性-粘弹性-弹塑性模型（VEP模型）计算液压衬套橡胶主簧动态特性,并对计算结果进行了对比,对比结果显示使用VEP模型有助于准确表达橡胶主簧在不同振幅下对液压衬套动态特性的贡献;阐述了橡胶液压衬套的流-固耦合建模方法,将VE模型和VEP模型应用于液压衬套动态特性的流-固耦合计算分析,对比结果显示,VEP模型更能表现液压衬套的振幅相关性和频率相关性的耦合特征。文中所采用的方法可有效指导液阻橡胶隔振器的前期开发设计。     

螺旋槽动压型口环密封动力特性研究

泵叶轮口环密封的动力特性与口环间隙内部流动特性乃至泵的运转稳定性密切相关,流动特性的改善可通过口环密封面造型来实现,为此,提出一种针对小间隙的"密封坝+螺旋线槽"微造型口环密封结构以期获得更优的口环密封动力特性。研究表明:层流模型和湍流模型计算得到的口环密封动力特性和密封性能在基本规律上具有较好的相似性,只是在参数变化的趋势和幅度上存在一定的差别,分析认为湍流模型能够更充分地反映微间隙、微结构对流动特性的影响;螺旋槽产生的动压效应和泵送效应随转速的升高、径向间隙的减小而增强;与光滑口环相比,螺旋槽口环能明显提高液膜最大压力值,且随动环偏心距的增大提升幅度更显著;可见螺旋槽造型能使口环转子获得更好的对中性,减少磨损,延长使用寿命。     

叶顶吸气效应抑制叶片振动的研究

吸气可以改变叶片周围的气流特性,多用来控制叶片吸力面流动分离。将吸气应用于叶片减振,通过模型实验研究了吸气对叶片振动的影响,改变吸气位置和吸缝长度,测量了不同条件下的叶片振幅并作比较。数值模拟计算了不同位置、不同速度吸气对叶片周围流场的影响,重点分析了叶顶间隙气流速度的变化。数值计算在一定程度上解释了实验结论,二者所得的规律统一。最终结果表明:叶片正上方或上方偏来流侧吸气有明显减振效果,模型实验条件下,振幅最大降低了27%。     

具有弹性静子的碰摩转子轴承系统非线性动力特性研究

建立了非线性油膜力作用下具有弹性静子的转子-轴承系统碰摩故障模型。采用Rugge-Kutta数值积分方法对碰摩故障进行动力学求解,得到系统响应的分岔图。对比研究了有、无碰摩故障情况下系统动力特性,分析了静子质量及碰摩刚度对转子响应的影响。分析结果表明：静子质量越大、碰摩刚度越大,转静子的耦合作用越明显;碰摩刚度较小时,产生的碰摩力较小,即使发生碰摩,对系统的动力特性影响也很小。     

含呼吸裂缝的桥梁振动响应与时频特性分析

本文对车桥耦合系统的动力响应进行时频特性分析。以欧拉梁模拟有损伤的桥梁,以两轴汽车模型模拟移动车辆,利用有限元法建立了有损伤桥梁结构在车辆作用下的运动方程。运用Newmark直接积分法计算出了车桥耦合系统的振动响应,分析了不同裂缝模型对桥梁动力响应的影响,并借助Hilbert-Huang变换获得损伤桥梁动力响应的时频谱和边际谱,结果表明由于呼吸裂缝的影响,桥梁动力响应将呈现出明显的谐波效应;进一步对比不同车流状况作用下桥梁动力响应的时频特性,车流会对桥梁呼吸裂缝的开合变化产生影响,随着车辆的数目增多,桥梁振动加剧,谐波能量也增大。     

涡轴发动机细长柔性转子动力特性及高速动平衡技术研究

摘要：建立了涡轴发动机动力涡轮转子动力特性有限元分析模型,计算得到了转子的前三阶临界转速值,在高速旋转试验器上完成了全转速范围内的动力特性和高速动平衡试验,实测得到了转子在额定工作转速范围内高速动平衡前和高速动平衡后等状态下振动幅值随转速的变化曲线,研究结果表明：建立的计算模型反映了转子的真实情况,高速动平衡效果良好,解决了型号研制过程中的一项关键技术。     

Dynamic and fatigue compressor blade characteristics during fluid-structure interaction: Part I—Blade modelling and vibration analysis

Fatigue failure in blades resulting from alternating loads is a primary cause of aircraft engine failure. In this study, the dynamic and fatigue performance of a compressor blade, which is prone to fatigue failure in practical use, is verified through numerical analysis and tests to identify specific failure causes and ultimately prevent blade failure. Two companion papers describe this work. Part I—blade modelling and vibration analysis establishes a compressor blade model based on reverse engineering and investigates the blade's dynamic characteristics during aerodynamic and structural behaviour interactions under various flight conditions. To accurately describe the dynamic performance of a real blade, three blade models with different fitting precisions are constructed to support dynamic response analysis. In addition, the flow field of each model is constructed to simulate the aerodynamic loads that cause blade vibration. A numerically based analysis of the fluid-structure interaction is subsequently performed. A reasonable calculation model is selected by comparing the dynamic characteristics among these models. The Campbell diagram is analysed to determine resonance probability, and blade failure cause is ultimately verified based on the vibration analysis. The results show that different accuracies in the blade calculation model produce varying degrees of error; the calculation model's ability to reflect the dynamic and fatigue behaviours of a real blade is recommended to be used as a critical evaluation index in the numerical study. The first-order harmonic resonance occurring at critical speeds may contribute to blade failure.     

对旋风机气动噪声声强及压力脉动分布规律的数值预测

将SIMPLE算法与RNG-ε湍流模型相结合,通过求解Navvier-Stokes方程,对对旋风机从集流器进口到扩散器出口全流场内的三维定常流动进行数值计算。求解区域采用非结构化网格进行离散,以进、出口压力为边界条件,采用运动参考系实现动-静界面间的数据传递。对对旋风机气动噪声分布特性进行数值模拟,预测对旋风机内部、外壳和叶片的声强级分布情况。采用快速傅里叶变换方法(FFT)研究两级叶轮区域三对干涉面因叶轮旋转和叶片振动引起的压力变化规律。研究结果对通风机结构的优化设计及噪声控制具有参考意义。     

轴流压气机叶排干扰所引起转子叶片的振动应力

 轴流压气机中上游导叶排与下游转子叶排相互干扰,这一非定常流动诱发了叶片振动.由此,利用有限元法,对所造成的振动应力进行了数值分析.建立了轴流压气机工程设计中求解作用于叶片非定常气动力的近似方法.讨论了叶型几何和静叶数对叶片振动应力的影响.给出由此所造成的叶片动应力分布图,与实验结果基本接近,得到了有益的结论.     

小间隙直通迷宫密封流场与泄漏特性数值模拟

采用RNGκ—ε模型对小间隙(<0.1 mm)直通迷宫密封可压缩定常湍流场进行数值模拟,得到通道内的速度、温度等流场典型分布。通过改变密封间隙、齿深等,得出通道内最大马赫数及泄漏曲线趋势图。结果表明小间隙时直通迷宫密封内存在齿尖节流、空腔膨胀及射流偏转、复热等主要特征,而小间隙下增加齿深会降低泄漏量。     

对流型塔板流场特性模拟研究及改进

用RNGk—ε湍流模型模拟对流型塔板上液相三维流场分布,模拟结果表明在对流型塔板上弓形区域内同样存在着回流区和滞流区。这对传质传热很不利,在此基础上研究了改进流场分布的两种方法:设置导流片和不等高堰,分析后认为设置不等高堰经济合理。     

结构化流道近壁区软性磨粒流流动仿真及实验研究

为了揭示结构化流道近壁区软性磨粒流的压力场及速度场的分布规律,有效预测其软性磨粒流的材料去除特性,采用VOF多相流模型和RNG 湍流模型,通过对结构化流道的结构进行合理的网格划分和特殊边界条件设置,对结构化流道内部的软性磨粒流流动进行数值模拟。仿真结果表明：不同的软性磨粒流入口位置对工件加工会产生影响;结构化流道中软性磨粒流的压力场、速度场和软性磨粒流的去除率随着加工区域位置的不同而不同;加工区域入口区域的压力、速度值存在突变,为此在实际加工用引入了引流模块。流场数值模拟和实验研究结果趋势是一致的,数值模拟为深入研究软性磨粒流的基本规律提供一种理论工具     

旋转射流冲击凸台换热特性的数值模拟

运用重整化(RNG)的κ-ε模型对半封闭板内带旋流的射流冲击凸台的传热及流动进行仿真,研究了旋转射流冲击凸台时的流场特性以及凸台表面、侧壁和平板上的传热特性.分析了旋流强度(旋转数)、流动Re数、冲击高度H/D对传热与流动的影响.结果表明,不同Re数下旋流会削弱驻点处的冲击作用,从而使得驻点处的传热Nu数减小.在雷诺数Re=25 000时,在旋转数0相似文献   

立磨选粉机操作参数对分级流场影响的数值模拟

采用离散相流体模型和RNG k-ε湍流模型,对涡轮式立磨选粉机内的气-固两相流场进行数值模拟,对比分析不同操作参数下的速度场、压力场和设备分级效率,获得转笼转速和系统风量对选粉机分级流场的影响规律,并进行相关的试验研究。结果表明,较低的转笼转速和过大的系统风量均会引起叶片间退行面处正漩涡的产生;转笼转速过高或系统风量较小时,分级叶片间的进入面处会出现反漩涡。正、反漩涡的产生均加剧了分级叶片间的速度波动,严重影响了分级流场的稳定性,同时也导致选粉机循环负荷的增加。综合数值模拟与试验分析,系统风量为5 500 m3/min与转笼转速为55 r/min是SMG5500型立磨选粉机的最佳参数匹配。     

多因素耦合影响亚音速喷口强化气体流场分布研究

为了研究多因素耦合条件下亚音速喷口内气体流场分布演变的作用机制与影响规律,基于标准k-ε湍流模型,对压力-流速-收缩比耦合条件下的亚音速喷口构造均匀气体流场进行了数值模拟,通过定义top-hat流场分布关键参数的方式,定量评估压力-流速-收缩比对强化后流场分布的耦合影响。结果表明:多因素耦合条件下,亚音速喷口通过影响压力梯度平衡点与临界位置点在内的强化过程关键点改变强化流场分布的品质;提高气体压力可以有效减小构造流场中的边界层厚度,降低强化过程中关键点对流速的依赖,提升不同流速下边界层厚度的稳定性,收缩比的增加则会使得强化流场进一步偏离理想分布。     

两种不同结构空调器轴流风机内流及性能分析

应用Navier-Stokes方程和RNGκ-ε湍流模型对空调器用轴流风机系统的内流特性进行三维数值模拟。针对匹配同一室外机时出现的不同叶片数目的叶轮,采用数值模拟与外部性能实验相结合的方法,对不同结构的两/三叶片风轮使用时的内部流场及气动性能进行详细分析。实验分析结果显示,两/三叶片叶轮各具特点,三叶片风轮匹配室外机时,风轮出口的轴向速度变化梯度较小,且气流扰动较小,能够有效地降低风机的相对湍流强度,改善气动噪声,实现降低噪声2.2dB（A）。而两叶片风轮用材少,质量轻,电功率消耗比三叶片风轮降低3.25%-6.06%,表明其具有良好的节能效果。