混流式转轮叶片流固耦合数值分析

论文摘要

混流式水轮机转轮叶片与粘性流体相互作用时激发叶片振动的同时会导致叶片局部应力集中、强度过大,造成叶片的疲劳断裂、动力失稳等事件。国内外水电站的一些水轮机出现了强振动和转轮叶片裂纹现象,甚至机组的结构破坏,降低了使用寿命,并严重影响到机组的安全运行。针对目前水电站混流式转轮叶片流固耦合研究分析的现状,本文采用Unigraphics建模软件及双三次B样条曲面法,实现了叶片曲面拟合,解决了叶片木模图数据转换问题,建立了导叶、转轮实体模型;前处理以连续方程、动量方程、Reynolds应力方程和RANG湍流k ?ε模型为控制方程,在有限元框架内,建立了水轮机导叶、转轮水体模块和转轮结构模块;使用ALE技术描述了流道内的动静干扰过程,在流体和固体的交界面上实现流体与固体之间的能量交换;通过ADINA流固耦合分析软件实现了有限元格式对流体和结构方程的离散,同时实现了转轮叶片的流固耦合数值分析;计算结果分析得出了转轮在空气中和水中的振动频率及振型、粘性流体特性对转轮振动频率的影响,以及稳态单向耦合和非稳态双向耦合转轮叶片结构的应力应变、位移和力矩,流场的压力、流速和k ?ε分布。通过混流式转轮叶片流固耦合数值分析,为进一步改进水轮机转轮叶片提供了数据依据,对深入了解叶片的振动机理、减少裂纹发生、确保机组安全稳定运行具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 论文研究背景、目的和意义
• 1.2.1 耦合技术的应用
• 1.2.2 目前水轮机运行出现的一些问题
• 1.2.3 论文研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国内研究的进展
• 1.3.2 国外研究的进展
• 1.4 本文的主要研究内容
• 2 流固耦合数学模型
• 2.1 概述
• 2.2 线弹性结构体控制方程
• 2.3 不可压流体控制方程
• 2.4 湍流模型
• 2.4.1 标准k? ε模型
• 2.4.2 RNG k? ε模型
• 2.5 耦合方程的建立
• 3 ALE 技术在流体控制方程中的应用
• 3.1 概述
• 3.2 ALE 技术在N-S 方程中的应用
• 3.3 网格更新技术
• 3.4 改进的SIMPLE 算法
• 3.5 ALE 描述下的流体动力方程
• 3.6 ALE 技术在流固耦合计算中的应用
• 3.6.1 网格运动
• 3.6.2 流固耦合的预报-更正算法
• 4 水轮机水力振动的理论分析及数值求解方法
• 4.1 概述
• 4.2 振动源分析
• 4.2.1 转轮与水力激振共振
• 4.2.2 卡门涡引起的转轮振动
• 4.2.3 自激引起的振动
• 4.2.4 尾水管压力脉动引起的转轮振动
• 4.2.5 导叶后出流引起的转轮振动
• 4.3 振动求解的基本方程
• 4.4 基于流固耦合的振动问题的求解方法
• 4.4.1 流体域控制方程和边界条件
• 4.4.2 叶片控制方程和边界条件
• 4.4.3 变分法在流固耦合方程中的应用
• 5 水轮机几何模型的建立及计算网格划分
• 5.1 水轮机设计参数
• 5.2 几何模型建立
• 5.2.1 导叶的几何数字化建模
• 5.2.2 转轮的数字化建模
• 5.2.3 过流部件的几何模型
• 5.3 计算网格的划分
• 6 混流式转轮叶片流固耦合数值分析
• 6.1 水轮机振动频率分析
• 6.1.1 转轮振型分析
• 6.1.2 水体属性对转轮振型的影响
• 6.2 转轮叶片单向耦合稳态分析
• 6.3 转轮叶片流固耦合非稳态分析
• 7 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况
• 致谢