涡轮叶片流固耦合仿真分析

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涡轮叶片流固耦合仿真分析

作者：王铁彭诚

来源：《科技视界》2013年第34期

【摘要】本文综合考虑了增压器涡轮叶片旋转产生的离心力载荷、废气产生的热应力载荷、气流运动产生的气动载荷这三种不可忽略的情况，基于Ansys Workbench软件平台运用CFX模块、稳态热分析（Steady-State Thermal）模块和静力结构分析（Static Structural）模块对涡轮叶片进行流固耦合分析，计算出涡轮叶片应力及应变的分布情况。

【关键词】流固耦合；增压器；涡轮叶片

涡轮增压技术被誉为内燃机发展史上的第二个里程碑[1]。在增压过程中涡轮增压器与发

动机没有任何机械联系，它将发动机排出的废气直接引入涡轮机中[2]，因此增压器涡轮机的

涡轮经常在900°C高温的排气冲击下工作，并且涡轮承受着巨大的离心力作用[3]。涡轮叶片

在高温排气的冲击下容易产生结构振动和疲劳[4]。所以既要使叶片适应高温度高转速的工

况，又要尽量减轻涡轮质量以改善加速滞后的问题[5]。因此如何提高涡轮叶片的结构强度就

成为当前对增压技术研究的主要难点。

1 流固耦合的控制方程

质量守恒方程：

■+？荦·（ρ■v）=0（1）

动量守恒方程：

■+？荦·（ρ■vv-τf）=ff（2）

其中，t表示时间，ff是体积力矢量。ρ■是流体密度，v是流体速度矢量，τf是剪切力张量，可表示为：

τf=（-p+μ？荦·v）I+2μe（3）

其中，p是流体压力，μ是动力粘度，e是速度应力张量。

由牛顿第二定律导出：

ρsds=？荦·σs+fs（4）