多级压气机叶片固体颗粒侵蚀损伤的CFD-FEM耦合机理研究及动态能量耗散分析

针对航空发动机钛合金叶片受沙尘颗粒侵蚀损伤的难题，研究人员通过CFD(计算流体力学)与FEM(有限元法)耦合方法，首次建立三维多颗粒随机循环冲击模型，揭示了颗粒速度、角度及形状对TC4钛合金动态侵蚀的影响机制，为延长叶片寿命提供新思路。

　　

航空发动机在沙尘环境中运行时，压缩机钛合金叶片会遭受固体颗粒侵蚀(SPE)，导致气动性能下降甚至叶片断裂。现有研究多聚焦单级叶片或规则颗粒模型，难以反映实际多级压气机叶片(MSCBs)在随机多颗粒冲击下的微观损伤机制。针对这一难题，中国某高校团队在《Powder Technology》发表研究，通过CFD-FEM耦合方法揭示了多级环境下颗粒侵蚀的动态机理。

研究采用三大关键技术：1) 基于3.5级轴流压气机几何模型(含38-43片叶片)的CFD气固两相流模拟；2) Python参数化建模生成不规则石英砂(SiO₂
)颗粒群；3) 改进的FEM三维多颗粒随机循环冲击模型，首次实现冲击位置、形状和重复侵蚀过程的动态模拟。

几何模型和网格
建立624 mm轮毂直径的3.5级压气机模型，采用Spalart-Allmaras湍流模型计算表明：颗粒在转子叶片前缘和80%-95%叶高处集中侵蚀，压力面侵蚀量是吸力面的2.3倍。

多颗粒冲击策略
通过Python控制109个多面体颗粒(直径50-300 μm)随机冲击TC4靶材，发现颗粒间距＞0.6倍直径时弹坑相互作用消失，验证了稀相流中忽略颗粒间作用的合理性。

多级压气机流道颗粒行为
CFD显示第三级转子(R3)出口颗粒速度达215 m/s，45°冲击角下钛合金侵蚀率峰值比30°高37%，与实验测得60°时表面粗糙度最大相印证。FEM模拟揭示：首次冲击产生的塑性应变占总量68%，后续冲击主要促进材料剥离。

结论与意义
该研究首次将多级压气机流场特性与材料微观损伤关联，发现：1) 多颗粒随机冲击会导致累积损伤效应，第三轮冲击后材料移除效率提升40%；2) 非球形颗粒(球形度＜0.5856)的切削作用使侵蚀率比球形颗粒高2.2倍；3) 能量分析表明70%动能转化为塑性功，20%形成表面裂纹。研究成果为航空发动机抗侵蚀设计提供了CFD-FEM协同仿真新范式，建立的参数化模型可推广至燃气轮机等工业设备寿命预测。