热应力仿真案例分享

学时习 2023年9月1日浏览：1593 收藏：4

仿真软件可以帮助我们理解和优化组件设计。任何一个仿真都需要基于实际应用建立模型。建模使我们能够足够详细地表征真实的现象，从而获得特定应用或组件的相关信息。本文将分享一个 COMSOL 案例库中的模型：涡轮静叶片的热应力分析，并研究其中非常重要的热传导和热应力的影响。

高效的传热仿真

为了快速计算，我们可以预先定义涡轮静叶片模型的传热，但并不具体求解。请注意，这里介绍的模拟标准可以是研究的最终目标，也可以作为了解模型概况和验证所有设置是否一致的第一步。无论哪种情况，我都建议从建立简单的模型开始，在这个过程中可以通过设置不同的参数来轻松验证模型行为。此外，如果不需要几个小时或好几天才能获得模拟结果，效果会更好。(这种计算只应在经过验证的初始模型作为实际生产前的最终模型进行仿真时，或为确保质量的最终模拟时运行)。

静叶片的几何结构，包括安装细节、叶片及叶片内的冷却管道。

模拟涡轮静叶片的热应力

让我们以涡轮静叶片热应力分析模型为例，来说明如何通过定义各种模拟细节来建立一个高效但仍能确保准确性的模型。在这个案例模型中，定子由叶片内的一根导管组成，流体通过导管流经定子进而冷却结构。由于静叶片的速度很高，周围环境和定子表面之间的热量也会大量传递。

加快模型计算的关键是使用平均努塞尔数相关性，而不是通过模拟管道和叶片周围的复杂流动来估算流体和结构之间的传热系数。根据经验或文献查阅，可以找到能够很好地反映热交换过程的平均努塞尔数相关性。

预定义和用户定义表达式

在静叶片模型中，一些热交换系数是利用经典条件建立的，而模型的一些部分并不适合任何一个经典的设置。因此，这部分需要经过模拟条件验证的定制公式。对于经典条件，传热模块提供了预定义的相关关系。对于需要定制公式的部分，用户可以在软件中直接输入所需的特定表达式。

模型设置

利用局部传热系数将压力侧（叶片前凹面）和吸力侧（叶片后方）近似为两个平板，用于外部强制对流，其中努塞尔相关性是预定义的，可以从列表中选择。在预定义的接口中可以定义相关性所需的输入量：流体性质、状态（温度和压力）以及速度。燃烧气体近似为在 30 bar 和 1100 K 下的空气，相应的声速约为 650 m/s。压力侧的典型马赫数为 0.7，吸力侧为 0.45，相当于压力侧约为 450m/s（模型中称为 U_up），吸力侧约为 300m/s（模型中称为 U_down）。为了更加精确地计算，我们使用局部传热系数而不是平均系数。因此，除了之前的量之外，还需要使用全局坐标系定义的边界的位置。

下图显示了在预定义物理接口中输入的所有设置：

对静叶片邻近的支撑壁的处理方法与定子相同，但自由流速度被设定为 350 m/s。

叶片还与流经冷却管道的空气进行热交换，如下图所示。风道的几何形状经过简化，不包括细节，例如用于增加冷却表面积的肋条。通过这种表示方法，我们可以利用 J. Bredberg 的论文 “ Turbulence Modelling for Internal Cooling of Gas-Turbine Blades “中的平均努塞尔数相关性来计算等效传热系数。在这种情况下，冷却温度为 T_cool = 800K。