叶轮机械专题 | 高精度叶片双向流固耦合的分析方法
随着对高负荷、低重量的性能要求，风扇/压气机的叶尖速度以及叶片的柔性逐渐增大，尤其是对大涵道比的风扇叶片而言，其叶片顶部振动幅值可高达数毫米。如此大振幅的叶片振动将对叶顶间隙等处流场产生较大影响，进而影响风扇/压气机的效率、性能和稳定性。传统叶片流固耦合方法在处理风扇/压气机气动弹性问题时通常面临以下挑战：
单向流固耦合仿真：在跨音叶栅流场中，叶片大幅振动会对边界层分离、激波以及叶顶泄露流产生强烈相互作用而形成强耦合多物理场，难以进行单向耦合解耦；
基于频域分析的多物理场仿真：无法准确模拟整个时间历程下的结构振动情况和流场流动形态，难以对叶片流动与振动的相互作用进行详细研究；
CFD软件与结构软件之间数据交互复杂、操作繁琐：不利于工作繁重的工程技术人员快速学习和使用，难以用于工程实际。
针对上述难点，Ansys基于叶轮机专用气动仿真软件CFX和结构仿真软件Mechanical，在Workbench平台下采用CFX Mechanical双向流固耦合方法对整个时域历程下的叶片流动和振动耦合状况进行高效、高精度仿真分析。该解决方案操作流程简明、计算精度高，是目前商业软件中较为成熟的双向流固耦合解决方案，适合于对跨音、大展弦比风扇/压气机叶片进行双向流固耦合仿真分析。双向流固耦合技术按照解耦程度可以大致划分为3种：
双向显式流固耦合：在每个时间步长内，流体和结构求解不进行迭代，直接进行数据交互传输，计算速度快；只适用于弱耦合问题，强耦合物理问题精度较低；
强耦合流固耦合：流体和固体求解方程组在同一矩阵中同时求解，求解过程非常复杂、不易收敛，多用于学术研究领域；
双向隐式流固耦合：流体方程和结构方程单独分开在不同的求解器求解，在每个时间步长内流体和结构分别迭代求解，直至交界面上的数据完全收敛。
Ansys基于双向隐式耦合方法进行双向流固耦合求解，在每个时间步内CFX和Mechanical分别对流场和结构场进行隐式迭代求解，并通过预先设定的流固耦合交界面传递数据，待流固耦合交界面传递数据收敛后，进行下一个时间步计算直至最终计算完成，该方法在保证求解精度的同时极大提高了求解速度和收敛性，适合于工程应用。
Ansys 双向隐式流固耦合仿真分析数据流程
Ansys双向流固耦合解决方案具有如下优势：
1
多重嵌套隐式迭代求解技术
Ansys双向流固耦合求解方法基于双向隐式流固耦合算法发展而来，按迭代顺序形成三重嵌套迭代求解：
单物理场迭代求解Field Loop：对单一流场、温度场、结构场进行隐式迭代求解，获得收敛后单物理场结果；
耦合多物理场迭代求解Coupling Loop：在预先设定的流固耦合交界面上，将气动载荷/温度场传输给结构场、几何变形/固体温度传输给流场，迭代求解获得收敛后耦合多物理场结果；
瞬态时间步迭代求解Time Loop：流场和结构场按照预先设定的总时长和时间步长进行时域迭代求解，获得最终收敛后随时域变化的双向流固耦合求解结果。
Ansys 流固耦合三重嵌套隐式迭代求解循环结构
以上三重嵌套迭代求解方式在保证双向耦合计算结果精度的同时，极大提升了求解速度和收敛性，在遭遇收敛性或求解精度问题时，工程师也可方便的进行问题剖析和排查。
2
高质量叶轮机械六面体网格及稳健的动网格技术
Ansys提供高质量叶轮机械六面体网格划分工具TurboGrid，可方便快捷的对单级或多级风扇/压气机叶片进行全自动、高质量流体网格的划分创建。Ansys TurboGrid采用参数化网格生成模板技术，针对轴流、离心、径流等多种叶轮机械结构自动提供多种拓扑结构，并可根据叶片扭曲程度自动调整网格质量。
Ansys CFX提供基于网格刚度Mesh Stiffness自动调整网格变形的稳健动网格技术，设置简便、快捷，独有的网格滑移 动网格变形技术可在保证网格高质量的前提下准确模拟叶片扭曲变形时叶顶间隙的变化。
3
基于Ansys Workbench的集成操作流程
双向流固耦合分析涉及流体/固体几何模型前处理、流体/结构仿真软件的操作使用和数据传递，对于设计任务繁重的工程师来说无疑是一个不小的挑战。基于Ansys Workbench集成操作平台，用户可在该平台搭建整个双向流固耦合分析的流程模板并同时进行参数优化和产品设计优化，具有无可比拟的易用性，相关数据可以在各个模块间自动传递，大大减少了工程师的工作量，工作流程可以保存为固定模板，方便缺乏经验的工程师快速掌握分析流程。
4
高度集成化的耦合求解模块System Coupling
不同于传统双向耦合求解过程中的复杂设置和操作，最新的Ansys 2020版本将绝大部分耦合求解设置和计算监测集中到新增的耦合求解模块System Coupling。用户可在System Coupling界面下进行双向流固耦合时间步长、耦合交界面、备份数据存储设置，流场、结构场、耦合场计算求解迭代过程的监测。
成功案例
Ansys双向流固耦合解决方案目前在国内外得到了广泛的应用和认可，在航空发动机、燃气轮机、涡轮增压器、风力发电机等领域均有广泛应用。以下案例为华北电力大学针对某型号压气机叶片断裂事故，在Workbench平台下基于Ansys CFX Mechanical进行双向流固耦合仿真计算的结果。通过对压气机叶片在设计/非设计工况下的双向流固耦合仿真分析，获取了如下研究结果：
叶片振动对叶顶泄露涡、边界层分离涡及尾缘脱离涡的影响；
不同流量、转速工况下的叶片振动位移及振动模态形式；
非定常流场中压力监测点的时域特性和频域特性。
MP4动画：双向流固耦合
叶片监测点位移时域响应曲线图
叶片前缘监测点应力时域响应曲线图
基于上述内容，在Ansys Workbench集成平台下，工程师可方便快捷地调用叶轮机气动仿真软件CFX以及结构仿真软件Mechanical，通过Ansys专用多物理场耦合模块System Coupling，高效、高精度的完成对风扇/压气机叶片的双向流固耦合仿真分析！
参考文献
1. 基于流固耦合的压气机叶片气动弹性稳定性研究，史久志，华北电力大学
关于Ansys CFX
Ansys CFX 是一款高性能计算流体动力学 (CFD) 软件工具，能快速稳健地提供准确可靠的解决方案，适用于众多 CFD 和多物理场应用。CFX 在叶轮机械仿真方面，例如泵、风扇、压缩机以及气压和液压涡轮等，具有卓越精确度、鲁棒性和速度，因此获得广泛认可，多年来备受工程师青睐，常用于解决各种各样的流体问题。
