基于流固耦合的高温泵叶轮应力有限元分析

第37卷第6期2020年12月内燃机与动力装置DNTERNALCOMBUSTDONENGDNE&POWERPLANTVol.37Ne6Deo.2020D0D10.19471/kl.1673-6397.2020.06.014高排温发动机涡轮壳总成流固耦合分析及验证张金明'!2，张健健'!2，马超2",苗熠芝'!2，张国栋'21.康跃科技股份有限公司，山东寿光262718；2,机械工业內燃机增压系统重点实验室，山东寿光262718；3.潍坊学院机电与车辆工程学院山东潍坊261061摘要:为研究涡轮壳废气旁通阀总成卡滞原因和壳体应力分布，通过数值模拟方法建立某型号涡轮增压器的涡轮机有限元分析模型，采用CFX软件对涡轮增压器涡轮壳进行流固耦合分析，仿真分析涡轮壳体温度场分布和应力分布，进行增压器温度场发动机台架试验。

结果表明：发动机排温高是涡轮壳废气旁通阀卡滞的原因，设计时应关注涡轮壳高应力区域;仿真与试验结果高度吻合，可为工程应用中分析涡轮壳破坏、阀门总成卡滞 等失效模式及增压器总成设计提供技术参考。

关键词:涡轮增压器;涡轮壳总成;计算流体动力学分析;流固耦合;温度场;热应力中图分类号:TK433.5文献标志码:A文章编号：1673-6397(2020)06-0079-5引用格式：张金明,张健健，马超，等.高排温发动机涡轮壳总成流固耦合分析及验证［J］.內燃机与动力装置，2020,37(6)%79-83.ZHANG Jinminy，ZHANG Jianjian，MA Chao，ct al.Fluid-oo/d coupling analysis and verification of turbineassembly for high temperature exhaust］J］.Internal Combustion Engine&Powerplant，2020，37(6):79-83.0引言随着各国排放标准的升级，发动机向低排放、高功率密度、小型化的方向发展［1-3］，要求增压器具有高压比、高性能，因此涡轮壳需要承受更高温度和压力的冲击，热应力过大是涡轮壳失效的主要原因+句&在国六发动机、非道路国四发动机的开发中,柴油机、气体燃料发动机排放的废气温度可达到800b［7］，某些特殊机型的涡前排温更高,涡轮壳总成的失效问题更为凸显;发动机在进行高原、高温试验验证时，增压器的工作环境更为苛刻&目前对增压器涡轮壳的研究重点主要是排温高的小排量汽油机，且多数针对旁通阀关闭状态进行分析，与涡轮壳实际的壳体温度分布及变化剧烈程度存在较大差异&数值模拟分析方法广泛应用于增压器涡轮壳的流体力学、传热、热-机应力及应变等方面的研究& Comerais等［8］计算分析了涡轮壳的热传导,提供了关于涡轮壳传热方面问题的理论依据;Errerra等［9］采用流固耦合的分析方法对涡轮壳传热方式进行了研究,为热固耦合方法提供了可行方案;黄恩德等(10〕利用分析软件锁定了涡轮壳产生热裂纹的潜在风险部位，提出了涡轮壳的优化设计方法;黄张伟［11〕利用仿真分析软件，单独对涡轮壳进行单向耦合计算，分析了废气阀门关闭时涡轮壳温度场和热应力，研究了涡轮壳的流固耦合特点，选取定义了涡轮壳耦合的界面并确定耦合流程;陈少林等［12］对某款汽油机增压器进行了冷、热冲击验证试验,分析了涡轮壳废气旁通阀孔、喉口、舌口等关键部位产生裂纹的失效机理，采用单向耦合计算进行了多方案对比优化,对涡轮壳结构进行了改进;龙鑫等［13］以某汽油机增压器涡轮壳为研究对象,运用流体及结构优化分析软件同步耦合仿真计算涡轮机温度场，求解涡轮壳的热应力，并通过试验验证了仿真结果&收稿日期:2020-07-27第一作者简介：张金明(1987—),男，山东临沂人，工学硕士，高级工程师，主要研究方向为发动机增压系统的设计与仿真, E-mail：187****************080内燃机与动力装置2020年12月第37卷本文中基于某发动机额定工况,针对涡轮壳阀门总成出现的卡滞失效问题，模拟仿真涡轮壳旁通阀 打开时的流体及温度场分布，在增压器温度场试验中针对性地测量壳体关键部位温度，验证仿真结果。

基于流固耦合的部分进气涡轮数值模拟研究赵瑞勇;陈晖;刘军年;毋杰【摘要】发展了三维线性插值算法用于CSD/CFD耦合计算数据交换,对某型液体火箭发动机部分进气涡轮进行了气/热/固多学科耦合数值仿真.结果表明,发展的三维线性插值程序对网格类型限制性小,计算简单,计算量小,插值结果能够满足耦合计算要求.仿真结果表明,某型火箭发动机涡轮由于其部分进气结构设计和叶轮高速旋转,设计工况下在涡轮转子入口处产生了较强的激波,激波与边界层干涉不仅使涡轮转子叶片的载荷分布出现了强烈的不均匀性,同时在叶轮的高速旋转下,该涡轮转子受到强烈的气动、热交变力冲击,其结构强度问题变得尤为突出.耦合计算分析认为设计工况下,该型涡轮结构设计,转子强度能够满足要求.【期刊名称】《火箭推进》【年(卷),期】2015(041)005【总页数】5页(P38-42)【关键词】部分进气涡轮;CFD/CSD;数值仿真【作者】赵瑞勇;陈晖;刘军年;毋杰【作者单位】西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】V434.21-340 引言部分进气设计的燃气涡轮机内部流动极为复杂，由于粘性和复杂几何条件引起的激波存在相互耦合，造成了流动的非定常性和非稳定性，其内流场气动特性不同于一般燃气涡轮。

某型液体火箭发动机涡轮由于其部分进气设计和叶轮高速旋转导致叶轮受到强烈的交变力冲击，对叶片应力分布产生很大影响。

考虑真实工况的气动、热载荷进行叶轮强度计算对涡轮结构设计和工程研制有着重要意义。

限于整机试验研究成本，随着计算机技术和CFD技术的发展，对涡轮进行流固耦合数值仿真成为研究该问题的重要手段。

在流固耦合仿真计算中，由于流体域和固体域耦合交界面网格疏密不一致，因此要想实现载荷传递与流固数据交换，寻求高效率、小误差的CSD/CFD数据交换方法是实现耦合技术的关键。

风力发电机组叶片流固耦合分析研究风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，受到了越来越多的关注和应用。

而风力发电机组中的叶片是转化风能为电能的重要部件之一。

因此，对风力发电机组叶片进行流固耦合分析的研究具有重要意义。

在传统的风力发电机组中，叶片往往是由一种特殊材料制成的。

这种叶片的主要作用是将风的动能转化为机械能，并通过发电机将机械能转化为电能。

但是，传统的叶片设计中往往只考虑了叶片的结构强度和 aerodynamic效果，没有充分考虑流场和叶片之间的相互作用。

而这种相互作用正是流固耦合分析需要关注的内容。

对于风力发电机组的叶片，流固耦合分析的研究可以从多个角度进行。

首先，可以对叶片进行力学分析，研究在风的作用下叶片所受的应力分布情况。

通过这种分析，可以优化叶片的结构设计，提高叶片的强度和稳定性。

其次，还可以对叶片的 aerodynamic效果进行分析。

通过对叶片表面流场的模拟，可以研究和优化叶片的设计，提高叶片的 aerodynamic性能，增强风力发电机组的发电效率。

在流固耦合分析中，数值模拟是一种常用的研究方法。

通过建立叶片的数值模型，并运用计算流体力学（CFD）软件和有限元分析（FEA）软件，可以对叶片的流场和结构进行模拟和分析。

这种方法可以帮助研究人员更好地理解和掌握叶片的流固耦合特性，为叶片的优化设计提供有力的支持。

除了数值模拟，实验研究也是流固耦合分析的重要手段之一。

通过在实验室中搭建风力发电机组的试验台，可以对叶片在实际工作条件下的流固耦合行为进行观测和分析。

这种方法可以帮助研究人员验证数值模拟结果的准确性，并对叶片的设计进行实际测试。

在进行流固耦合分析时，还需要考虑叶片的工作环境和使用寿命等因素。

因为风力发电机组常常在恶劣的工作环境下使用，如高风速、多变的风向等。

这些因素会对叶片的力学性能和 aerodynamic特性产生影响。

因此，在流固耦合分析中需要考虑这些因素，并将其纳入到分析模型中。

涡轮机械中的流固耦合分析与优化研究导言：涡轮机械是一类重要的能量转换装置，广泛应用于航空航天、发电和工业生产等领域。

在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合是一个重要的研究方向。

本文将探讨涡轮机械中流固耦合的分析方法和优化策略，以及其对涡轮机械性能的影响。

第一部分：流固耦合的基本概念流固耦合是指在涡轮机械中，流体和固体之间存在相互作用和相互影响的现象。

涡轮机械的工作原理是通过流体对叶片的冲击和推动，将流体的动能转化为机械能。

流体在经过叶轮时会对叶片施加压力和力矩，而叶片的形状和材料也会对流体流动产生影响。

第二部分：流固耦合分析方法在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合分析是不可或缺的一步。

目前常用的流固耦合分析方法主要有数值模拟和实验测试两种。

1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过建立涡轮机械的数学模型，利用计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）等数值方法，对流体流动和固体结构进行模拟和计算。

数值模拟方法具有较高的计算精度和灵活性，可以快速预测涡轮机械的性能和优化方案。

2. 实验测试方法实验测试方法通过搭建实验装置，对涡轮机械进行实际测试和观测。

主要包括流量测量、压力测量和叶片振动等实验内容。

实验测试方法能够直接获取涡轮机械的性能参数和工作状态，但成本较高且受环境和设备的限制。

第三部分：流固耦合的优化策略流固耦合分析的目标是寻找涡轮机械的最佳设计和工作参数，以提高效率和可靠性。

在优化过程中，可以对叶轮的形状、材料和叶片间隙等关键参数进行调整。

1. 叶轮形状优化通过数值模拟和实验测试，可以对叶轮的形状进行优化。

优化的目标是使得流体在叶轮上的流动更加顺畅和均匀，减小流体对叶片的阻力和损耗。

2. 叶片材料优化叶片材料的选择对流固耦合分析结果和涡轮机械性能有着重要影响。

优化的目标是选择具有良好耐高温、抗腐蚀和高强度等特性的材料，以提高叶片的寿命和可靠性。

3. 叶片间隙优化叶片间隙是流体通过叶轮时产生的一种非理想流动状态。

基于有限元方法的流固耦合分析研究随着人们对材料和结构性能的需求不断提高，流固耦合问题研究越来越受到关注。

流固耦合分析主要研究流体流动与固体变形之间的相互作用和耦合效应。

在流固耦合分析中，有限元方法成为最常用的分析方法之一。

本文将从三个方面对基于有限元方法的流固耦合分析进行讨论。

一. 基本原理在流固耦合分析中，有限元方法起到了至关重要的作用。

在有限元方法应用中，流场模拟和固体变形分析的研究已经非常成熟。

但是，在将流场和固体变形结合起来进行研究时，需要考虑流场对固体进行的压力和剪切载荷以及固体对流体流动的影响。

这是一种非线性问题，需要进行高效的数值分析.有限元方法的基本原理是将运动的物体划分成有限个小部分，然后用有限元模型离散处理每个小部分，通过简单的微分方程组成了均衡方程，然后使用数值法求解。

这种方法是一种数值分析方法，主要用来解决固体强度、稳定性、弹性和塑性分析问题。

同时，它还能够被用于研究流体流动、热传递和电磁场问题的解决方案。

二. 动力学中的应用在动力学中，有限元方法是一种广泛应用的方法，可以帮助人们准确预测材料和结构的力学性能。

基于有限元方法的流固耦合分析使得我们能够更为准确地预测材料结构的变形。

通过对其物理和机械属性的模拟，我们能够更好地了解物体的反应和行为。

流固耦合分析可用于模拟一般材料和技术性成分的结构，如飞机飞行时飞行表面的变形，以及汽车发动机在运行时的振动和变形。

同时，它还可以用于研究核反应堆的材料和组件，以及火箭发动机的设计。

三. 工业中的应用有限元方法的工业应用很广泛。

对于自动化工业而言，这种方法可以减少费用和时间，同时提高产品的质量。

例如，有限元模拟可以使用软件来模拟产品的变形，如汽车的碰撞试验，振动，加速度等。

有限元方法还可以用于模拟钢铁、铝和塑料的加工，同时还可用于气动设计和水动力学分析。

总结：流固耦合分析是一项复杂的工程技术，而有限元方法则是一种解决流固耦合问题的重要方法。

基于流固耦合的船舶轴-桨耦合振动特性分析船舶是一种经常进行长时间航行的交通工具，其设计及性能极大影响其可持续发展。

船舶的安全、效率和经济性极大的取决于其轴-桨系统的运转状况。

轴-桨系统的振动特性分析是船舶设计中重要的一部分。

轴-桨系统振动特性的分析是基于流固耦合理论。

轴-桨系统是由轴和桨组成，在水中运转产生振动，由于水流和结构共同作用，轴和桨也受到一定的振动。

流固耦合是研究流体力学和固体力学之间相互作用的理论。

流体对固体的作用令结构振动，结构振动也对流体运动产生一定的影响。

流固耦合可以有效地描述轴-桨系统振动特性。

轴-桨系统的振动分为保持模态振动和自由模态振动。

保持模态振动是由系统在特定波长的激励下产生的振动，其振动频率小于结构的基频。

自由模态振动是系统在系统初始状态下受到的外力激励下产生的振动，其振动频率等于结构的基频。

轴-桨系统的振动特性分析可以采用有限元方法进行求解，其中包括轴-桨的受力和甩动等。

轴-桨系统的振动特性分析包括以下过程。

首先是通过CFD （Computational Fluid Dynamics）对流固耦合问题进行求解。

CFD求解一般采用有限体积法，使用流计算程序对轴-桨系统中流体的运动进行建模。

其次，采用有限元方法进行结构的振动求解，可求解系统在特定波长下的不同振动模态及不同激励下的自由模态振动。

最后，将流固耦合和结构振动计算结果相互耦合，得出轴-桨系统在不同航行状态下的振动特性。

轴-桨系统的振动特性分析可以定量描述轴-桨系统运转状况。

通过分析分析系统的振动模态和共振频率排除因接触和低频的干扰，进而进行分析和设计。

在船舶设计中，相应的技术指标及将系统的材料和结构加固以提高其稳定性。

在船舶的设计中，轴-桨系统的振动特性分析是非常重要的。

通过流固耦合的振动分析方法，能够全面了解船舶轴-桨系统的振动状况，提高船舶的安全性、效率性和经济性。

在未来，轴-桨系统的振动分析方法将继续不断发展，进一步完善船舶的设计及运行。

流固耦合动力学仿真方法及工程应用流固耦合动力学仿真方法及工程应用包括:1. 流固耦合仿真方法:该方法通常使用流体力学和材料力学的基础原理来建模流固耦合现象。

将流体与固体材料紧密耦合,考虑流体的运动和材料表面的应力、应变和变形协调。

该方法的应用范围非常广泛,包括机械工程、航空航天工程、土木工程和水利工程等领域。

2. 有限元分析(FEA):有限元分析是一种计算机模拟方法,通过将整个系统划分为许多小部分,并在每个小部分中求解复杂的问题。

流固耦合动力学仿真通常涉及将流体和固体材料划分为许多单元,并对每个单元进行求解。

这种方法常用于机械工程、航空航天工程和土木工程等领域。

3. 数值模拟方法:数值模拟方法是一种通过计算机程序计算数值模型的方法。

流固耦合动力学仿真通常涉及对系统进行数值模拟,并使用计算机程序进行求解。

这种方法常用于机械工程、航空航天工程和土木工程等领域。

4. 基于物理模型的方法:基于物理模型的方法是一种将实际物理过程建模为数学模型的方法。

流固耦合动力学仿真通常涉及将实际物理过程建模为数学模型,并将其与材料力学和流体力学的基础原理进行耦合。

这种方法常用于机械工程、航空航天工程和水利工程等领域。

流固耦合动力学仿真方法及工程应用的主要方法如下:1. 有限元分析(FEA):该方法可以用于模拟流固耦合现象,将流体和固体材料划分为许多小部分,并对每个小部分进行求解。

2. 数值模拟方法:该方法可以用于模拟流固耦合现象,使用计算机程序进行求解。

3. 基于物理模型的方法:该方法可以用于将实际物理过程建模为数学模型,并将其与材料力学和流体力学的基础原理进行耦合。

4. 混合方法:混合方法是一种结合多种方法的方法,将不同方法结合起来,以获得更准确的结果。

基于单向流固耦合的叶轮强度和振动研究杜子学;韩山河;刘雅黔;查雷【摘要】为了获得某带分流叶片的离心式压气机叶轮更为真实详细的应力状态,建立三维实体模型;采用流体动力学和有限元方法,对其进行单向流固耦合分析,构建叶轮单通道三维流场模型和结构有限元模型;利用软件之间的接口,实现了流场与结构场之间的压力数据传递,获得离心力和气动力共同作用时的叶轮最大应力和应变的分布,进而完成叶轮静强度的分析计算,并验证了叶轮强度的可靠性;利用静力结果进行模态分析,分析了转速对固有频率的影响,得到在常用转速下的共振点.【期刊名称】《重庆交通大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(033)002【总页数】4页(P142-145)【关键词】车辆工程;离心式压气机;流固耦合;应力;模态分析;共振【作者】杜子学;韩山河;刘雅黔;查雷【作者单位】重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074;重庆德蚨乐机械制造有限公司,重庆401122;重庆交通大学机电与汽车工程学院,重庆400074【正文语种】中文【中图分类】U464.332;TK421.80 引言在压气机整个通道中，叶轮是唯一对流体做功的部件，它将同轴连接的涡轮提供的机械能转化为流体的压力能和动能，所以在压气机正常工作时，叶轮的受力非常复杂，除了受离心力、气动力和热应力外，还受到振动交变负荷的影响。

在离心压气机中，叶轮设计的好坏对压气机的性能起着决定性作用，但随着增压器压比和转速的不断提高，叶轮机械负荷增加，寿命要求更长，成本要求更低，这就使得以结构优化为目的的结构分析变得更为重要[1]。

叶轮在流动的气流场中，流体对叶轮的工作性能产生一定的影响，结构的扰动反过来影响流场，从而形成一个流固耦合模型[2]。

通过单向流固耦合分析，在一定程度上可得到更为准确的强度和振动数据，叶轮的强度分析的目的是计算叶轮在工作载荷下的变形、应力分布及最大应力的大小[3]，以验证叶轮结构是否可靠，为压气机的设计提供依据。

Vol. 40 No. 6Dec. 2020第40卷第6期2020年］2月核科学与工程Nuclear Science and Engineering 叶轮疲劳分析评定方法研究朱昶帆(上海核工程研究设计院有限公司，上海200233)摘要：在三代核电厂中，反应堆冷却剂泵是主回路中的关键设备，其中叶轮是冷却剂泵的水力转动部 件之一，通常会受到高周的水力载荷。

三代核电的设计要求叶轮服役时间长达60年，载荷循环远超 10】。

次，因此必须按照无限寿命疲劳强度设计。

本文给出了一种可应用于工程的叶轮疲劳分析计算流程。

在叶轮表面的压力时程已经通过流场分析给定并转换为功率谱密度的条件下，通过商用软件的功率谱密度分析方法可以获得叶轮所受应力的范围。

最终根据应力疲劳分析理论，折算得到叶轮许用的 疲劳强度，以此评定叶轮所受的应力是否满足无限寿命设计。

关键词：叶轮；疲劳；流固耦合；功率谱密度；无限寿命；Goodman 图中图分类号：0346.2 文章标志码：A 文章编号：0258-0918 (2020) 06-0950-06Research on the Assessment of the Impeller Fatigue AnalysisZHU Changfan(Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute Co. Ltd, Shanghai , 200233, China)Abstract : Reactor coolant pump is the major equipment in the nuclear power plant ofthe generation HI , and the impeller is one of the hydraulic rotating part, and excited bythe high frequency hydraulic load. The service time of the impeller in the design require ­ments of the generation DI is 60 years » the load cycle is more than 1010, so it is de ­signed under the limit of infinite life. In this paper the analysis program of the impellerfatigue applied to the engineering project is presented. Were the pressure transient obtainedfrom fluid analysis and transformed to power spectral density , the stress range of the impellercould be solved by the PSD analysis in the commercial software. Finally according to the stressfatigue theory, the converted fatigue strength of the impeller could be obtained, and the im ­peller stress could be assessed whether to satisfy the infinite life design.Key words : Impeller ； Fatigue ； FSI ； Power Spectral Density ； Infinite Life ； Goodman Plot收稿日期：2020-06-08基金项目：大型先进压水堆核电站重大专项(2018ZX06001001/2019ZX06004003)作者简介：朱昶帆(1989—),男，上海人，工程师，硕士研究生，现主要从事管系力学分析方面研究950叶轮既是泵的水力部件，也是转动部件，其作用是通过电机的带动，将电能转化为管道内流体的动能，保持管道内流体流动。

流固耦合分析基础流固耦合分析是指通过数值模拟方法来研究流体与固体之间的相互作用和耦合效应的分析技术。

它综合考虑了流体和固体两种介质之间的物理、化学、力学以及耦合效应等因素，可以更准确地预测工程结构在复杂载荷下的响应和性能。

本文将介绍流固耦合分析的基本概念、数值模拟方法以及应用领域等方面。

流固耦合分析的基本概念主要包括两个方面，即流体力学和固体力学。

流体力学研究的是液体和气体等流体在力的作用下的行为，主要涉及流体的运动、压力、速度等参数；而固体力学研究的是固体材料在力的作用下的行为，主要包括应力、应变、变形等参数。

流固耦合分析则是将这两个方面结合起来，研究流体与固体之间的相互作用和耦合效应。

在流固耦合分析中，数值模拟方法是非常重要的工具。

常用的数值模拟方法包括有限元法、有限体积法和边界元法等。

有限元法是一种广泛应用的方法，主要适用于固体力学问题，它将结构离散成有限个小单元，并利用单元之间的接缝来模拟固体的力学行为。

有限体积法则更适用于流体力学问题，它将连续介质离散成有限个小控制体，并利用控制体之间的通量来模拟流体的运动行为。

边界元法则是将结构以及其周边的无穷域分为界面和域两个部分，只在界面上求解，要求边界积分方程的解与物理意义相关。

流固耦合分析的应用领域非常广泛。

在航空航天工程中，流固耦合分析可以用于研究飞行器的空气动力学特性，如气动载荷和机翼变形等。

在能源领域，流固耦合分析可以用于优化核电厂的冷却系统设计，以及研究水力机械的流体力学特性。

在交通运输领域，流固耦合分析可以用于优化汽车的外形设计，以及研究火车列车的气动性能。

在海洋工程领域，流固耦合分析可以用于研究海洋平台的动力特性，如浮筏的运动响应和海底管道的受力分析等。

综上所述，流固耦合分析是一项重要的工程分析技术，可以帮助工程师更准确地预测和优化结构在复杂载荷下的响应和性能。

它涉及了流体力学和固体力学等多学科的知识，以及数值模拟方法等研究工具。