Ansys叶片颤振分析：从理论到实践的完整流程

案例概述

• 颤振分析对于确定压气机/涡轮叶片安全工作范围意义重大，Ansys Fluent 2022R1已具备叶片颤振(Blade Flutter)仿真功能

• 本案例以Rotor67压气机叶片为例，介绍了基于Fluent进行叶片颤振分析的基本流程，包括：几何前处理、网格划分、计算设置、求解及后处理

• 模态结果文件由Ansys Mechanical计算得到，具体可参考流体大本营叶片颤振相关仿真资料，本案例不做具体解释

• 本案例仅作为仿真流程演示说明案例，未与相关试验数据进行比对

考虑气弹问题时压气机气动特性线安全裕度范围

几何前处理

本案例以NASA Rotor67跨音压气机叶片为例

‐整周叶片数22

‐设计转速16043RPM

‐设计流量34.07kg/s，单叶片通道流量约1.54kg/s

‐模态Mode取1阶弯曲模态输出结果

‐节径Nodal Diameter取0

NASA Rotor67 跨音压气机叶片

具体步骤

-将单通道叶片流体域几何导入SCDM

-依次为进口、出口、轮毂、机匣和旋转周期交界面进行命名，相关命名方式同一般叶轮机仿真规则

-该模型未设置叶尖间隙，如叶片带有叶尖间隙则需对叶尖面进行单独命名方便后续网格加密

-基于TurboGrid生成的带有叶尖间隙的网格暂时不支持在Fluent中进行

Rotor67叶片单通道流体域几何

Fluent Meshing网格划分

• 在Workbench中将Geometry拖曳到Fluent模块的Mesh单元

• 双击Mesh打开Fluent Meshing网格划分界面

‐导入几何

‐叶片局部网格加密

‐生成面网格

‐设置进出口边界条件，设置周期对称边界面网格

‐定义流体域

‐设置边界层网格

‐生成体网格(网格总数约80万)

*本案例采用的体网格类型为四面体网格，Fluent Meshing的多面体网格暂时不支持多面体类型网格。

稳态求解设置

首先基于Fluent进行叶片稳态流场仿真，作为后续瞬态计算初始流场

‐设置为稳态Steady，气体材料设置Ideal Gas

‐在Physics > Cell Zones中设置转速为-16042.8rev/min

‐在Physics > Boundary边界条件中，设置进口总温总压为大气温度、大气压力，出口静压为大气压

‐设置进口流量massflow-inlet为计算过程中的监测变量

‐初始化，单击Run Calculation进行稳态求解计算，待计算收敛、质量流量平缓后，保存稳态计算结果

叶片模态文件导入

首先需导入模态计算文件

‐将计算由稳态Steady切换到瞬态Transient

‐单击File > Read > Profile，选择预先准备好的whole.csv模态文件

‐文件格式如下图所示，该文件和先前基于CFX和Mechanical的叶片颤振计算方案中所用模态文件完全一致，可互相通用

‐勾选Domain > Turbomachinery > Turbo Mode选项，激活Turbo Mode模式

周期性动网格设置

设置叶片周期性动网格（1）

‐1.进入Domain > Dynamic Mesh，勾选Dynamic Mesh，在Options下勾选Periodic Displacement选项

‐2.单击Settings打开Periodic Displacement周期变形网格设置面板

‐3.单击Create进入设置界面

‐4.勾选Travelling Wave Method

设置叶片周期性动网格（2）

‐1.单击Set展开设置，将节径Nodal Diameter设置为0(可根据实际节径数设置)；勾选AerodynamicDamping计算气动阻尼系数

‐2.单击Create，展开设置面板

‐3.在相应设置界面下，分别按图中所示，在Direction X、Direction Y、Direction Z下分别为其指定先前到入模态文件中网格变形参数；Frequency指定为模态文件中的振动频率(613.53Hz)；最大振幅Amplitude手工指定为0.001m；Passage Number选择模态文件中的sector-tag

‐4.单击Activate激活该变形设置