前缘空化对弹性水翼振动特性影响数值模拟

作     者：姚志峰 赖桂桦 刘婧 曾永顺 YAO Zhifeng;LAI Guihua;LIU Jing;ZENG Yongshun

作者机构：中国农业大学水利与土木工程学院北京100083 中国农业大学北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心北京100083 中国航发商用航空发动机有限责任公司上海200241 

出 版 物：《清华大学学报（自然科学版）》 (Journal of Tsinghua University(Science and Technology))

年 卷 期：2021年第61卷第11期

页      面：1325-1333页

核心收录：

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

基　　金：北京市大学生创新性实验计划(BJ202010019198) 国家自然科学基金资助项目(51879266,51839001) 

主　　题：结构动力学 前缘空化 水翼 固有频率 附加阻尼比 

摘      要：水力机械偏离设计工况运行时,前缘空化将显著改变流场,进而改变流场与叶片结构之间的流固耦合效应,导致叶片振动特性发生改变。该文以NACA0009弹性水翼为研究对象,采用基于剪应力输运(SST)k-ω湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型的三维Reynold平均数值模拟方法预测流场特性,利用分离式双向迭代的流固耦合方法计算空化条件下水翼的预设激振响应,获得了弹性水翼水中固有频率与附加阻尼比。通过实验数据验证了数值计算结果的可靠性。计算结果表明:随着空化数的降低,水翼前缘空化长度、厚度和边界层厚度均增大。随着空化区域长度的增加,水翼尾部脱落涡频率降低。空化系数变化对弯曲振动振型影响较小,但对扭转振动振型的影响较大。随着前缘空化区域的增大,弹性水翼弯曲模态与扭转模态的固有频率变化趋势一致,但附加阻尼比的变化依赖于振型。当弹性水翼在攻角2°、流速14 m/s的工况运行时,前缘空化出现后,弯曲振型下固有频率的最大增幅为2.25%,附加阻尼比减小9.00%,扭转振型下固有频率的最大增幅为20.12%,附加阻尼比增大165.70%。