基于流固耦合分析的通风机叶轮动力特性进展

李俊，徐洪海，裘科名，张璟，庄益娈

（绍兴市上虞区产品质量监督检验所，浙江 绍兴 312300）

1 流固耦合的原理相关研究

陈海霞、祁文军、王良英等人认为在工业生产部门中，风机是一个非常重要的机械设备，对于工业系统的安全性而言，其运行的状况直接起着决定性作用。郎进花对两级动叶可调式轴流风机失速演化过程的流固耦合相关理论进行了研究分析，并认为在风机中，叶轮振动是较为常见的一个故障，造成振动的因素非常多，诸如未有平衡的转子质量等。胡强认为在设计和制造过程中，针对风机采取静力分析时，一般情况下只会对风机的离心力进行考虑，而未对风机的气动特性给予充分的重视，特别是因为气流压力脉动，从而造成的叶轮动应力问题的出现。翟艳钊认为叶轮在具体进行运行的过程中，其结构会在交变载荷的作用下，可能会有疲劳破坏的情况发生，从而产生非常大的安全隐患问题发生。而采取多物理场的数值模拟，则能够将此问题得到较好的解决。

邢景棠、崔尔杰认为流固耦合作为流体力学与固体力学交叉形成的学科，主要研究对象是变性固体在流场作用下会发生的变化，同时也包括固体变形对流场产生的影响，这也是流固耦合力学的重要特征之一。王跃方、刘艳、郭婷认为变形固体会受流体载荷作用的影响发生相应的运动或变形，这一作用同时也会影响到流场，会改变流体载荷的大小和分布，这也是产生流固耦合现象的重要因素。

国外关于流固耦合的原理研究相对完善，其研究历史较久，流固耦合相关研究的起源是19世纪初期，流固耦合现象跟机翼和叶片的气动弹性问题有紧密关系，1915年Brewer对飞行实验失败的原因进行了分析，并认为气动弹性静扭转发散是重要的原因，随之关于此现象的研究逐渐增多。Irons提出了一对称化方法，可以对流体惯性的矩阵可逆进行描述，但是需要考虑到自由面线性波，在一些固有程序的使用过程中，自由面波被忽略，进而影响了该方法的应用。Xing J T，Price W G认为可以通过开发混合有限元方法对流固耦合的现行动态交互进行理论分析，并对加速度的变量进行弹性固体和流体压力的参数分析，对流固耦合的相关理论从矩阵方程描述等方法进行分析，对流固耦合理论也是一种丰富。

2 风机在流固耦合分析中的进展

2.1 分析流场的模型

吴正人、王松岭、戎瑞等人实施Solid works软件，对风机模型进行建立，对风机的结构在建模期间，适当相应的简化，未对风机集流器等情况进行充分的考虑，对于网络数量，为了让其的得到更具有合理性，采取了网络无关性的验证方式，最后对各个部分的网络数量进行确定。Shimura M，Sekine A认为结构和流体流动的相互作用问题是计算风工程的研究热点之一，计算机系统的进步和分析方法的进步都为其提供了支持，作为一种具有长跨度结构的工程实例，如运动拱顶或超高层建筑，风工程的设计必须考虑到设计决策。Luongo A, Fabio F D分析了在一个或多个频带中包含多个频率的细长结构的驰振模式之间的非线性相互作用现象。由于非线性模态耦合与气动力有关，所有的模态都在内部共振。通过弱耦合组成的近周期系统，利用多尺度摄动方法，得到了一种非线性微分方程在交互模式的振幅和相位上的系统，给出了双光束系统的数值计算结果。确定了稳态解发生的条件，研究了稳态解的稳定性，并讨论了在交互模式中涉及能量交换的周期运动的发生。对造成结构不对称的小缺陷的影响给予了关注。

2.2 分析结构场的模型

孙哲对结构场的模型进行了分析，从风机设计工况下对叶轮强度进行分析，得到几点结论，第一，从叶轮受的不同载荷分析，离心力对叶轮强度起着决定性的作用，重力对等效应力的大小和分布几乎没有影响，但它对叶轮总变形的大小和分布有一定影响，约占5．4%。而气动力对等效应力的大小具有一定影响，约占3．6%，并且它对叶轮总变形的大小具有一定影响，约占2．5%。第二，在不同的稳定工况下，叶轮最大等效应力值有所不同，但差别很小，其中最大等效应力值为160．97MPa，与叶轮材料的屈服强度相比，可知此风机叶轮能够满足工作需要，是安全的。Squire H B通过建立了风机模型，并对流场进行了定常数值模拟。为了获得较高精度的模拟结果，对风机各个部分的网格进行了网格无关性验证，并对模拟结果进行了分析。结果表明，模拟结果能够很好地符合实验结果，对我们研究结构场模型具有积极的参考价值。

2.3 离心风机和轴流风机研究进展分析

曹淑珍、向水生对离心风机蜗壳流场的试验进行了研究，通过五孔气体动力探针对离心风机梯形截面蜗壳内流场进行了测试，得到蜗壳内气流参数的实际分布。就此进行了初步分析，其结果对蜗壳的设计和改进有一定的参考价值。李景银、梁亚勋、田华对不同型线离心风机叶轮的性能对比研究，采用常规单圆弧叶片和等减速叶片两种不同型线叶轮的离心风机进行了试验研究。

丁学亮、叶学民、李春曦对轴流风机叶片展向结构变化对性能影响的数值进行了研究分析，以OB-84轴流风机为对象，采用Fluent模拟了叶顶切割和轮毂加粗后的风机性能，分析了两种改造方式对风机性能、内流特征及轴功率的影响。孙扬智、肖世德、徐鑫凯等人对轴流风机旋转叶片的气动噪声进行了研究分析，数值模拟结果表明，旋转叶片上的静态压力主要集中在旋转方向前方的叶面上。

3 结语

从国内外研究现状来看，关于叶轮进行的单向和双向流固耦合理论相对完善，有一定的数据支撑，同时也有风机流场的模型研究，具有积极的参考价值，但是也存在一定的不足，一些研究都是在风机的稳定运行工况区域进行的。

今后可以考虑在风机的不稳定工况区域对叶轮的动力特性进行研究。虽然对叶轮进行了单向和双向流固耦合，但它们都是稳态流固耦合，其考虑的气动力都是定常的，实际上气动力是随时间变化的。今后可以对叶轮进行瞬态动力学分析，这样可以更加真实的反映实际情况，从而得到更加准确的结果。

参考文献:

[1]陈海霞,祁文军,王良英等．基于流固耦合的风机叶轮疲劳特性研究[J]．机械设计与制造,2015，(12):31-34．

[2]郎进花．两级动叶可调式轴流风机失速演化过程的流固耦合研究[D]．华北电力大学,2015．

[3]胡强．对旋式通风机叶片气固耦合动力学特性数值研究[D]．山东科技大学,2015．

[4]翟艳钊．混流式风机大规模流固耦合振动分析[D]．昆明理工大学,2015．

[5]邢景棠,崔尔杰．流固耦合力学概述[J]．力学进展,1997,27(1):19-38．

[6]王跃方,刘艳,郭婷．离心式压缩机叶轮非定常流动特性及动力响应研究进展[J]．风机技术,2016，(5):81-87．

[7]金琰．叶轮机械中若干气流激振问题的流固耦合数值研究[D]．清华大学,2002．

[8]Irons B M． Role of part-inversion in fluid-structure problems with mixed variables[J]．Aiaa Journal,2012,8(8):568．

[9]Xing J T, Price W G． A Mixed Finite Element Method for the Dynamic Analysis of Coupled Fluid-Solid Interaction Problems[J]．Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical &Engineering Sciences,1991,433(433):235-255．

[10]吴正人,王松岭,戎瑞等．基于流固耦合的离心风机叶轮动力特性分析[J]．动力工程学报,2013,33(1):53-60．

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[12]Luongo A, Fabio F D． Multimodal galloping of dense spectra structures[J]．Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynami cs,1993,48(2–3):163-174．

[13]孙哲．基于流固耦合的离心通风机叶轮动力特性分析[D]．华北电力大学(保定) 华北电力大学,2012．

[14]Squire H B． The Secondary Flow in a Cascade of Airfoils in a Nonuniform Stream[J]．Journal of the Aeronautical Sciences,1951,18(4):271-277．