被动式水轮机流体结构耦联运动数值模拟

论文摘要

KOBOLD式水轮机和弹簧控角直叶水轮机是两种典型的被动式水轮机。本文的主要工作是对这两种不同的被动式竖轴水轮机的水动力性能进行数值模拟。比较不同参数对水轮机性能的影响,为今后水轮机的选型、水动力性能设计奠定基础。首先利用双盘面多流管法结合重锤式水轮机叶片的运动方程,对重锤式水轮机的流体动力性能进行计算,分析不同的转轴位置、密实度、不同的摆角范围对水轮机性能的影响。然后通过简单的算例证明了利用FLUENT加载用户自定义函数(UDF)解决流体和刚体运动耦联问题的可行性,利用FLUENT对弹簧控角直叶水轮机流体动力性能进行分析,并与实验值进行对比,分析偏角的运动规律,分析叶片的受力随位置角的变化规律,分析不同弹簧弹性系数和偏角范围对水轮机水动力性能的影响。最后验证利用计算流体软件FLUENT与机械系统动力学软件ADAMS相结合,对流体运动和固体运动紧密耦合的问题进行协同仿真的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 竖轴水轮机叶片控制机构介绍
• 1.3 本文的工作内容
• 第2章 竖轴水轮机叶片运动及受力分析
• 2.1 叶片的运动与受力
• 2.1.1 叶片的运动
• 2.1.2 叶片受力分析
• 2.2 本章小结
• 第3章 重锤式水轮机水动力性能分析
• 3.1 重锤式水轮机介绍
• 3.2 Betz动量定理及双盘面多流管法
• 3.2.1 动量定理
• 3.2.2 双盘面多流管法
• 3.3 重锤式水轮机叶片受力分析
• 3.4 重锤式水轮机流体性能分析
• 3.4.1 求解方法
• 3.4.2 攻角修正
• 3.4.3 叶片的轴心位置对水动力性能的影响
• 3.4.4 叶片的密实度对水动力性能的影响
• 3.4.5 叶片的偏角范围对水动力性能的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 利用Fluent解决流固耦联问题算例验证
• 4.1 UDF介绍
• 4.2 算例验证
• 4.2.1 算例1
• 4.2.2 算例2
• 4.3 本章小结
• 第5章 利用FLUENT模拟弹簧控角水轮机运动
• 5.1 弹簧控角水轮机介绍
• 5.1.1 弹簧控制机构设计及工作原理
• 5.1.2 弹簧恢复力矩
• 5.2 滑动网格理论
• 5.3 数值求解过程
• 5.3.1 流场进行网格划分
• 5.3.2 UDF的编制
• 5.3.3 边界条件的设置
• 5.3.4 计算模式和控制参数的选择
• 5.4 弹簧控角竖轴直叶水轮机数值模拟
• 5.4.1 叶片的运动规律与实验值的比较
• 5.4.2 叶片受力分析
• 5.4.3 弹簧的弹性系数对水轮机性能的影响
• 5.4.4 摆角范围的限制对水轮机性能的影响
• 5.4.5 水轮机启动状态模拟
• 5.5 本章小结
• 第6章 ADAMS与FLUENT的协同仿真探讨
• 6.1 ADAMS简介
• 6.2 ADAMS用户子程序
• 6.3 ADAMS用户子程序加载方法
• 6.4 ADAMS与FLUENT接口方式与协同仿真的实现
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢