1. 葉片熱結構耦合分析

在渦輪工業(yè)中，用流過冷卻孔的流體來冷卻渦輪葉片是很常見的做法。由于葉片內(nèi)的溫度梯度，會引起熱應力，從而導致葉片的失效。

在典型的熱應力分析中，先計算溫度，然后將溫度作為荷載條件進行應力分析。雖然在計算流體動力學(CFD)程序中可以通過模擬耦合傳熱來求解溫度，但這需要大量的計算資源。CFD的降階模型，假設通過孔的一維流動，可以提供一種廉價的解決方案，而在準確性上沒有顯著損失。由于通過冷卻孔的質量流量已知，膜系數(shù)的經(jīng)驗關系可以用來模擬從葉片到流體的傳熱。

如圖所示，渦輪葉片有10個冷卻通道。假定外表面是固定在恒溫下的。在進行應力分析時，假設絕熱表面是固定的。流體以不同的速率流過孔，冷卻主要通過對流進行。對流系數(shù)、流入溫度和質量流量都是指定的。如果薄膜系數(shù)高，固體向流體損失的熱量更多，因此流體的溫升也更高。流體質量流量越大，流體溫度越高。

1.1. 定義材料參數(shù)

分別定義流體及固體材料，固體材料選擇默認結構鋼，熱流體具體參數(shù)如下所示：

1.2. 網(wǎng)格劃分

線體模型類型設置為熱流體，流體離散方法設置為迎風/線性。截面半徑為3.15 mm、1.55 mm和0.99 mm的線體，其流體截面積分別為31.1709 mm2、7.5473 mm2和3.0789 mm2。3D FLUID116單元用于模擬10個在其兩個主要節(jié)點之間進行傳熱和流體傳輸?shù)牧黧w。

固體區(qū)域采用SOLID278單元進行網(wǎng)格劃分。使用低階元素。使用的模型和網(wǎng)格設置如下圖所示。

1.3. 邊界條件和荷載

固體的外表面溫度保持在568°K，并添加到四個面。

在中對流系數(shù)（W/(m2K)）為：

孔編號	對流系數(shù)	孔編號	對流系數(shù)
A.	2.9543e5	F	3.0199e5
B.	2.9629e5	G	3.0247e5
C.	3.0076e5	H	4.4343e5
D.	3.1416e5	I	2.8527e5
E.	3.1495e5	J	8.9586e5

流入溫度和質量流量如下：

編號	入口溫度（℃）	質量流量（kg/s）
A.	348.83	0.228E-01
B.	349.32	0.239E-01
C.	339.49	0.228E-01
D.	342.30	0.243E-01
E.	333.99	0.239E-01
F.	364.95	0.242E-01
G.	343.37	0.232E-01
H.	365.41	0.799E-02
I.	408.78	0.499E-02
J.	453.18	0.253E-02

1.4. 熱結構耦合處理

穩(wěn)態(tài)熱使用默認的分析設置來求解。完成后返回項目操做界面，通過拖拽將Static Structural與Steady-State Thermal模塊進行關聯(lián)。

圖 12：熱固耦合流程

完成后返回Mechanical的操做界面，在Static Structural模塊中，選擇Imported Load (B6)下的Imported Body Temperature并進行更新，出現(xiàn)如下圖所示的溫度云圖。即在靜力學分析模塊中，將溫度載荷作為分析的初始條件進行靜力學分析。

將葉片的上下端面均采用固定約束，靜態(tài)結構分析使用默認的分析設置來求解。上圖顯示了固體區(qū)域的溫度分布。正如預期的那樣，葉片在孔附近更冷。

下面兩幅圖分別顯示了流體和固體表面的溫度。流體溫度從入口到出口升高。固體表面溫度也有相似的變化趨勢。

圖 13：流體溫度

圖 14：固體溫度

下一個圖顯示了固體區(qū)域的馮米塞斯應力。最大應力發(fā)生在J孔內(nèi)。

當執(zhí)行類似類型的分析時，考慮以下提示和建議：

定義為熱流體模型的線體對象可用于計算流體與固體之間的熱流體傳熱。通過對渦輪葉片冷卻通道的對流換熱進行模擬，證明了該特性的易用性。

當在分析中包含有對流通道的固體區(qū)域時，在用線體對通道建模時，應該使用固體區(qū)域的低階單元。使用高階表面效應元件有時會導致不切實際的溫度分布。