风扇叶片鸟撞击响应及受损风扇气动性能分析方法研究

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航空发动机在起飞或降落阶段容易遭受鸟等外物撞击,使风扇叶片出现变形、撕裂等损伤,引起风扇气动性能下降,甚至导致发动机丧失工作能力,引发灾难性事故。目前数值模拟技术是国内外开展鸟撞击研究的重要手段,其中光滑粒子法(Smoothed Particle Hydrodynamics,即SPH法)以高效、计算稳定等突出优势而广泛应用在鸟撞击研究中。为了深入掌握基于SPH法的鸟撞击数值模拟技术,并评估受损风扇的气动特性,有效指导航空发动机风扇叶片的抗鸟撞击设计,本文综述了鸟撞击数值模拟技术现状,开展了基于SPH法的鸟撞击数值方法研究并应用于工程实际,最后评估了受损叶片对风扇气动特性的影响。首先,讨论了基于SPH法的鸟撞击模型中网格密度、接触方式、惩罚刚度因子、沙漏控制、阻尼系数、人工体积粘性等参数对数值模拟结果的影响程度,采用文献试验数据验证了基于SPH法的鸟撞击模型。数值模拟结果表明,基于SPH法的鸟撞击模型是有效、准确的,与试验的吻合较好。其次,建立了旋转状态下基于SPH法的大鸟撞击单个叶片、大鸟撞击整级风扇、小鸟群(14只)撞击整级风扇的有限元模型,分析了鸟撞击动态响应、撞击能量转换等变化趋势。结果表明,大鸟撞击单个叶片能较好反应叶片前缘的局部最大变形,大鸟撞击整级风扇模型能较好反映变形叶片之间的相互遮挡效应。最后,基于叶片迹线法重新构建受损风扇叶片的几何模型,建立含有受损叶片的流场计算模型,对比鸟撞击前后风扇叶片气动性能的变化。结果表明,受损叶片对周围局部流场的总压比降低、附面层增厚、流动损失增加都有一定的影响,但对整级风扇总压比、效率等影响则较小。
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