ANSYS经典案例在Workbench中实现l涡轮机叶片冷却过程的热应力分析

导语：

在前三期的ANSYS经典案例在Workbench中实现的分享中，我们分享了ANSYS经典案例在Workbench中实现之汽车刹车盘制动噪音分析、密封圈仿真分析以及基于网格重划分的金属成型仿真分析。（可以点击下滑线文字查看前期内容），本期为大家分享涡轮机叶片冷却过程的热应力分析。

在涡轮机行业中，使液体流经涡轮机叶片的冷却孔，从而降低涡轮机叶片的温度，达到冷却的目的，这种液冷方法非常常见。由于叶片存在热梯度，从而产生了热应力，这有可能导致涡轮机叶片的结构失效。

在传统典型的热应力分析中，通常先计算结构上的温度分布，然后将其作为载荷施加在结构上，进行力学分析。CFD（计算流体力学）可以进行温度场的分析，但是其计算量较大，并不经济。但是，这里有一种简化的CFD分析，通过使用一维的流体单元，大大降低了计算所需的时间，同时也保证了计算精度。当然，通过冷却空的液体流量应当已知，同时，还需要知道流体和固体之间的热对流系数（膜系数）。

由于版权和保密性，这里仅使用一个简单的模型对整个分析过程进行介绍，真实的模型和载荷约束远远比这里介绍的复杂。

问题描述

如下图所示，该涡轮机叶片有十个冷却孔。外表面温度恒定。两个绝缘面固定。液体以不同的流量流过十个冷却孔，且主要的热交换形式为热对流。流固的热对流系数、入流场温度以及流量均已知。如果热对流系数（膜系数）大，则固体将传递更多的热给流体，与此同时，液体温度上升的幅度会更大。但是，如果液体流量较大，液体的温度并不会上升的很高。

图1 几何示意图

分析流程搭建如下图所示

图2 分析流程图

模型介绍

本案例中，叶片采用实体单元，同时，需要建立十个线体单元，与叶片模型一同导入进Mechanical。用户需要将线体的Model Type设置成Thermal Fluid。

图3 热流线体的定义 

材料参数

流体的材料参数（MKS单位制）如下图所示：

图4 流体参数

固体的材料参数（MKS单位制）如下图所示：

图5 固体参数

边界条件

1、插入十个热对流边界，每一个热对流设置中选择一个冷却孔的腔面，然后开启Fluid Flow模式，在Fluid Flow Edge中选择对应的线体

图6 热对流边界条件的设置

图7 十个热对流边界条件

2、十个热对流边界条件中的膜系数分别如下图所示，单位为1000W/m^2*K

图8 膜系数

3、 叶片外表面施加恒定温度568K

图9 恒定温度边界

4、定义入流场的温度和流量

图10 入流场温度

图11 流体流量定义

温度和流量的大小如下图所示：

图12 入流场温度和流量的输入

5 、为如流端和出流端分别定义绝热边界条件

图13 绝热边界条件

6 、再静力学分析中，固定入流端和出流端

图14 固定边界条件

计算结果

图15 叶片温度分布

图16 液体温度分布

图17 叶片上的等效应力

延伸阅读：