叶片热结构耦合分析

1. 叶片热结构耦合分析

在涡轮工业中，用流过冷却孔的流体来冷却涡轮叶片是很常见的做法。由于叶片内的温度梯度，会引起热应力，从而导致叶片的失效。

在典型的热应力分析中，先计算温度，然后将温度作为荷载条件进行应力分析。虽然在计算流体动力学(CFD)程序中可以通过模拟耦合传热来求解温度，但这需要大量的计算资源。CFD的降阶模型，假设通过孔的一维流动，可以提供一种廉价的解决方案，而在准确性上没有显著损失。由于通过冷却孔的质量流量已知，膜系数的经验关系可以用来模拟从叶片到流体的传热。

如图所示，涡轮叶片有10个冷却通道。假定外表面是固定在恒温下的。在进行应力分析时，假设绝热表面是固定的。流体以不同的速率流过孔，冷却主要通过对流进行。对流系数、流入温度和质量流量都是指定的。如果薄膜系数高，固体向流体损失的热量更多，因此流体的温升也更高。流体质量流量越大，流体温度越高。

1.1. 定义材料参数

分别定义流体及固体材料，固体材料选择默认结构钢，热流体具体参数如下所示：

1.2. 网格划分

线体模型类型设置为热流体，流体离散方法设置为迎风/线性。截面半径为3.15 mm、1.55 mm和0.99 mm的线体，其流体截面积分别为31.1709 mm2、7.5473 mm2和3.0789 mm2。3D FLUID116单元用于模拟10个在其两个主要节点之间进行传热和流体传输的流体。

固体区域采用SOLID278单元进行网格划分。使用低阶元素。使用的模型和网格设置如下图所示。

1.3. 边界条件和荷载

固体的外表面温度保持在568°K，并添加到四个面。

在中对流系数（W/(m2K)）为：

孔编号	对流系数	孔编号	对流系数
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

流入温度和质量流量如下：

编号	入口温度（℃）	质量流量（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. 热结构耦合处理

稳态热使用默认的分析设置来求解。完成后返回项目操做界面，通过拖拽将Static Structural与Steady-State Thermal模块进行关联。

图 12：热固耦合流程

完成后返回Mechanical的操做界面，在Static Structural模块中，选择Imported Load (B6)下的Imported Body Temperature并进行更新，出现如下图所示的温度云图。即在静力学分析模块中，将温度载荷作为分析的初始条件进行静力学分析。

将叶片的上下端面均采用固定约束，静态结构分析使用默认的分析设置来求解。上图显示了固体区域的温度分布。正如预期的那样，叶片在孔附近更冷。

下面两幅图分别显示了流体和固体表面的温度。流体温度从入口到出口升高。固体表面温度也有相似的变化趋势。

图 13：流体温度

图 14：固体温度

下一个图显示了固体区域的冯米塞斯应力。最大应力发生在J孔内。

当执行类似类型的分析时，考虑以下提示和建议：

定义为热流体模型的线体对象可用于计算流体与固体之间的热流体传热。通过对涡轮叶片冷却通道的对流换热进行模拟，证明了该特性的易用性。

当在分析中包含有对流通道的固体区域时，在用线体对通道建模时，应该使用固体区域的低阶单元。使用高阶表面效应元件有时会导致不切实际的温度分布。