液体火箭发动机涡轮流固耦合动力学特性分析
涡轮叶片是液体火箭发动机涡轮泵转子系统的重要部件，它与流体之间的流固耦合作用对涡轮泵的性能有很大影响。对相邻两片涡轮叶片之间的流体流动进行数值分析，有助于了解涡轮叶片与流体之间的流固耦合作用，分析结论可对涡轮叶片的动力学设计与改进提供理论参考。 本文研究了涡轮叶片与流体之间的流固耦合作用，通过物理建模、理论研究和数值计算，分析了涡轮叶片间流体的稳态特性。由于涡轮叶片之间流体流动的复杂性，基于完全Navier-Stokes方程的数值积分，过程复杂，计算耗时。本文采用NURBS方法构造涡轮叶片的物理模型，基于Bulk-Flow模型，根据Hirs的紊流整体流动理论和Blasius摩擦系数方程，建立了相邻两片涡轮叶片间流体流动的控制方程。通过对流体稳态特性的无量纲化分析，获得了无量纲化的零阶扰动方程。运用交错网格和有限差分法获得了3个有限差分控制方程。利用MATLAB软件，基于SIMPLE算法编写控制方程求解的计算程序。通过数值计算，获得流体的稳态压力分布和稳态速度分布。结果显示，涡轮叶片叶根处流体压力最大，周向速度和路径速度最小；涡轮叶片叶顶处流体压力最小，周向速度和路径速度最大；流体压力沿路径方向和径向向外方向逐渐降低；周向速度沿径向向外方向逐渐增大；路径速度沿路径方向逐渐降低，沿径向向外方向逐渐增大。本文的研究结论对液体火箭发动机涡轮叶片的动力学设计具有一定的理论指导意义。 为了验证结果的正确性，文中详细对比了本文的结果与商用软件Fluent的模拟结果及实验获得的结果之间的差异。结果显示，本文基于Bulk-Flow模型的计算方法在求解小间隙的流动问题时能够简化流体的控制方程，减少计算量，而没有降低其准确性，但在求解大间隙的流动问题时结果与实验结果具有明显的偏差。
液体火箭发动机;涡轮叶片;流固耦合;有限差分法;动力学特性
郑州大学
硕士
化工过程机械
袁振伟
2016
中文
V434
67
2016-09-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）