旋转机械叶片与涡流耦合系统的复杂动力学机理研究

The phenomenon of the vortex shedding from the leading/trailing edge of the rotating blades of turbomachinery can give rise to the severe aeroelasticity problems of the blades, such as vortex-induced vibrations as well as flutters, etc. Then the high cycle fatigue failure of the blades can be caused, which has negative effects on the safe operating of the blades. Owing to various limitations, the mechanism for the coupling between the blades and vortices is still unclear. In order to better understand the complex dynamics of the coupling process between the blades and vortices, this project would utilize the CFD parallel computing technique to simulate the coupling between the blades and vortices firstly, and determine the sensitive parameters which affect the unsteady aerodynamic force on the blade surface, then construct the theoretical coupling model of the blades and vortices. Furthermore，by using the improved parallel cell mapping method and the continuation technique for the bifurcation parameter, the project would discover the possible local (the double Hopf bifurcation, Neimark-Sacker bifurcation, etc.) as well as global bifurcations (the homoclinic/heteroclinic bifurcation, etc.), derive the influence of the physical parameters on the system responses, and analyse the intermittency and global dynamics, to reveal the mechanism of the coupling between the blades and vortices. Moreover, the characteristics of the vibration signals for the vortex-induced vibrations of the rotating blades will be distinguished by using the FFT method according to the dynamic behaviours of the coupling system. The study can provide the theoretical help for the failure analysis and control of the vortex-induced vibrations of the rotating blades.

旋转机械叶片前缘/尾缘发生的旋涡脱落现象容易引发叶片涡激振动、颤振等严重的气动弹性问题，使叶片发生高周疲劳，给叶片的安全运转带来极大的隐患。限于各种复杂因素的制约，目前关于叶片与涡流耦合作用的确切机理尚不明确。本项目首先将应用CFD并行计算技术对耦合系统进行数值仿真，确定与叶片表面非定常气动力相关的敏感参数，建立表征叶片与涡流耦合作用的理论模型。然后，采用改进的并行胞映射方法、分岔参数延拓技术等，追踪理论模型特殊的局部分岔(双Hopf分岔、Neimark-Sacker分岔等)与全局分岔(同/异宿轨道分岔等)及物理参数对系统响应的影响等，研究叶片-涡流耦合系统因不同吸引子之间交替而产生的阵发性动力学与全局动力学行为，进而揭示叶片与涡流相互作用的非线性动力学机理；采用FFT方法，根据耦合系统呈现的动力学特性识别叶片涡激振动信号，为叶片涡激振动的故障分析及控制提供一定的理论基础。

涡流运动机制十分复杂，其诱发的旋转叶片的大幅振动的发作机理一直未能得到明确的解释。为了厘清叶片与涡流的耦合作用机理，本项目组对该问题进行了相关的数值仿真、理论分析以及实验设计，主要的研究内容及结果有：(1)分别考虑了结构安装特性与几何特性，如含间隙叶片与大展弦比叶片等，同时考虑了转速(包括定常转速与变转速)对耦合系统的影响，分别建立了等截面梁与楔形梁的结构模型；另一方面采用半经验的尾流振子模型表征涡流的时变运动特性，得到了一系列表征结构与涡流耦合作用的理论模型。(2)对耦合的降阶模型进行了动力学分析，主要分析了结构与流体振子的1:1共振和1:2亚谐共振，初步揭示了多模态运动的能量转迁机理及耦合作用机理，通过对主要参数(包括转速、来流速度、气动升力系数、立方非线性系数、耦合作用系数)的影响分析，得到了控制参数的最优范围，为避免结构因分岔(鞍结分岔、Hopf分岔)现象发生的气动失稳提供一定的理论基础。(3)初步为区别叶片发生涡激振动的信号特征进行了相关的实验设计，将几类叶片与涡流耦合作用模型的稳态响应以及分岔特性作对比，通过傅里叶变换方法反馈到振动信号的输出形式上，从而为实际问题提供一定的理论基础。(4)探究了旋转系统在能量俘取方面的潜在应用，建立了一类基于旋转结构的能量俘取模型，研究了系统参数特别是转速对输出功率的影响，同时研究了由于共振诱发的系统复杂动力学行为诸如准周期、分岔、混沌等现象。该项目的理论研究结果无论是用于推进装置还是可再生能源装置，都可为叶片的气动弹性故障分析及设计提供一定的理论基础。