调速型液力偶合器叶片流固耦合分析

　　0 引言

　　液力偶合器叶轮与流体的相互作用导致叶片振动，叶片的持续严重振动将导致叶片疲劳破坏。 液力偶合器的叶轮是传递动力的关键元件，一旦发生故障，将直接导致轴承损坏，威胁机组的安全运行，导致整机失效[1]。 因此，研究液力偶合器叶轮与流体的流固耦合特性， 掌握偶合器内部流体的流动状态及流固耦合机理对保障机组安全稳定运行具有实际意义[2]。

　　液力偶合器叶片与流体的相互作用是典型的流固耦合振动， 但偶合器叶轮在黏性流场作用下的振动却是非常复杂的多场耦合的非线性振动， 真实模拟流场与叶片间的相互作用及其耦合振动， 揭示其内在机理比较困难[3]。 在交替法(弱耦合法)和整体法(强耦合法)这两种求解流固耦合的方法[4]中，以交替求解法为常用方法，即对液力偶合器叶轮的流场和变形交替迭代，并以位移—压力格式考虑流体的不可压缩性对单个叶片在流体—结构相互作用下的动力特性进行计算， 分析叶片在流固耦合状态下的特征。 交替求解法的计算流程表达为： ①以未变形的结构作为流体的计算边界和计算流场，得到作用在结构表面的压力分布;②将得到的分布压力作用于结构，使结构产生变形，并根据结构的变形修改流体边界及流体网格， 重新进行流体的分析计算;③重复迭代，直至流体和固体界面两次计算的压力差小于误差容限。

　　1 系统控制方程

　　假设流体为不可压缩的黏性流体， 固体结构为线弹性结构。 从叶片振动方程和流体压力波动方程出发，利用Galerkin 法对结构—流体系统进行有限元离散，导出系统控制方程[5]，即系统基本方程及其边界条件为：

　　式中σij———叶片应力张量;

　　fi———体积力分量;

　　ρs———叶片质量密度;

　　ül———振动加速度分量;

　　p———流道内动流体压力;

　　c0———流体中声速;

　　ün———结构法向加速度;

　　Ti———结构已知面力分量;

　　ui———位移结构分量;

　　ui———结构已知位移分量;

　　n———边界法线方向;

　　ρf———流体质量密度。

　　流体边界条件描述偶合器叶轮流道进出口面上流体质点的运动、内外环的固壁流面以及周期对称面等，并要求耦合面上法向加速度和面力保持连续。 引入叶片位移变分δu 和流体压力变分δp，有：

　　(2)