矿用大型轴流风机叶片气固耦合动态特性分析

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流固耦合力学是叶轮机械领域重要的研究课题。作为弹性结构的大型轴流风机的长窄叶片,在工作中将与周围的气流形成一个非线性的气固耦合系统,对其研究需要同时考虑叶片振动与变形对流场的影响以及流场对叶片的反作用,因而难度极大。本文以矿用大型轴流风机叶片为研究对象,对其在气固耦合作用下的动力学特性进行研究,主要内容包括以下几个方面:  首先,以叶型与ANN-2884/1400N型轴流风机叶片相同的非扭曲直叶片为研究对象,利用有限元方法对其进行静态模态计算分析,提取叶片静态条件下的模态数据;建立叶片单流道流场模型,通过定常流场的模拟获得流场的压力与速度分布;将流场压力加载到叶片上,对其进行静力学分析,获得定常流场下叶片的形变位移、应力和应变分布;对直叶片进行瞬态气固耦合数值模拟分析,得到叶片在不同攻角及来流条件下的振动位移响应和频谱响应。  然后,以ANN-2884/1400N型轴流风机为研究对象,建立风机转子流场的几何模型,通过定常流场的分析获得流场压力分布;将流场压力加载到叶片上,对其进行静力学分析,获得定常流场下叶片的形变位移、应力和应变分布;对叶片进行静态模态计算分析,提取静态条件下叶片的模态数据。将流场压力载荷加载到叶片上,并给定叶片旋转速度,对其进行模态计算分析,对比得到旋转效应和气固耦合作用对叶片模态的影响;对风机叶片在正常运行工况下进行气固耦合数值模拟分析,研究了非定常流场作用下叶片结构振动特性,结果表明叶片在正常运行工况下并不发生颤振,振动频率与叶片在预应力作用下的固有频率接近。  本文针对风机叶片所采用的气固耦合数值计算方法和得到的数值分析结果,对矿用大型轴流风机叶片的气固耦合动力学特性研究具有一定的参考价值,并为深层次地揭示轴流风机叶片产生结构破坏的内在原因、提高风机工作的稳定性奠定了基础。
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