本文關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī)葉片流固耦合動(dòng)力特性研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《昆明理工大學(xué)》 2005年

混流式水輪機(jī)葉片流固耦合動(dòng)力特性研究

陳香林  

【摘要】：近年來,國(guó)內(nèi)外一些大型混流式水輪機(jī)機(jī)組頻頻出現(xiàn)強(qiáng)烈的振動(dòng)現(xiàn)象,尤其是中高比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)葉片的裂紋現(xiàn)象,在世界各地普遍存在,嚴(yán)重危及到機(jī)組的安全運(yùn)行。目前,對(duì)此問題還沒有找到有效的解決方法。 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片與粘性流場(chǎng)的相互作用不僅會(huì)激發(fā)葉片的強(qiáng)力振動(dòng),嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致葉片產(chǎn)生疲勞斷裂、動(dòng)力失穩(wěn)等影響機(jī)組安全運(yùn)行的事件。因此,研究轉(zhuǎn)輪運(yùn)行時(shí)葉片的振動(dòng)特性對(duì)深入了解葉片的流激振動(dòng)機(jī)理、避免水力共振、確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。 本文在綜述了國(guó)內(nèi)外混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)力特性的研究現(xiàn)狀后,主要作了以下工作: 1.借助大型通用有限元分析軟件ANSYS,針對(duì)混流式水輪機(jī)葉片幾何造型及與葉片相關(guān)的工程計(jì)算(如水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部三維粘性湍流場(chǎng)利葉片強(qiáng)度及葉片振動(dòng)等問題的有限元計(jì)算)中亟待解決的葉片木模圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換問題,采用有限元自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法,成功地實(shí)現(xiàn)了把葉片木模圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適合于實(shí)際工程中需要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述方式,用雙三次B樣條曲面法,對(duì)給定型值點(diǎn)的水輪機(jī)葉片進(jìn)行曲面擬合,再現(xiàn)了水輪機(jī)葉片的幾何外形,并給出了對(duì)水輪機(jī)葉片進(jìn)行曲面擬合的數(shù)學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,建立了混流式水輪機(jī)整體轉(zhuǎn)輪葉片和單個(gè)葉片三維有限元分析模型,為水輪機(jī)葉片振動(dòng)問題的研究奠定基礎(chǔ)。 2.對(duì)由不可壓縮理想流體和轉(zhuǎn)輪葉片組成的耦合系統(tǒng),從理論研究出發(fā),采用有限元法的位移—速度勢(shì)格式,使用加權(quán)余量法中的Galerkin法,對(duì)耦合系統(tǒng)進(jìn)行有限元離散,從而導(dǎo)出了系統(tǒng)在流動(dòng)流體中的流固耦合有限元方程,根據(jù)方程中各項(xiàng)的物理意義,詳細(xì)討論了流速場(chǎng)對(duì)葉片振動(dòng)特性的影響,并分析了附加質(zhì)量的計(jì)算方法及附加質(zhì)量的影響因素。 3.根據(jù)轉(zhuǎn)輪葉片在運(yùn)行時(shí)的受力特點(diǎn)及其所要考慮的影響因素,對(duì)可壓縮理想流體與轉(zhuǎn)輪葉片組成的線性流固耦合系統(tǒng),采用有限元方法中的位移—壓力格式,應(yīng)用Galerkin法對(duì)流體和固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散,建立了系統(tǒng)流固耦合有限元方程。并借助于有限元軟件ANSYS中的流固耦合功能分別對(duì)兩種不同介質(zhì)下的整體轉(zhuǎn)輪葉片及單個(gè)葉片進(jìn)行了模態(tài)分析,得到了轉(zhuǎn)輪葉片及單個(gè)葉片在空氣中和靜止流體中的自振特性,并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)了一些有價(jià)

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：昆明理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2005
【分類號(hào)】：TK733.1
【目錄】：

摘要5-7

Abstract7-12

第一章 緒論12-27

1．1 課題來源12

1．2 研究背景及問題的提出12-14

1．3 研究目的和意義14-18

1．4 混流式水輪機(jī)葉片振動(dòng)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)18-24

1．4．1 流固耦合研究的發(fā)展概況19-23

1．4．2 混流式水輪機(jī)葉片動(dòng)態(tài)特性研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)23-24

1．5 研究途徑及基本技術(shù)路線24-25

1．6 本論文的主要研究?jī)?nèi)容25-27

第二章 混流式水輪機(jī)葉片有限元分析模型的生成27-50

2．1 空間三次 B樣條曲線曲面擬合的數(shù)學(xué)方法及其公式推導(dǎo)29-39

2．1．1 三次均勻 B樣條曲線的數(shù)學(xué)建模30-32

2．1．2 反算三次均勻 B樣條曲線的控制頂點(diǎn)32-34

2．1．3 雙三次均勻 B樣條曲面的數(shù)學(xué)建模34-36

2．1．4 雙三次均勻 B樣條曲面的形成36-38

2．1．5 雙三次 B樣條曲面的反算38-39

2．2 混流式水輪機(jī)葉片幾何造型39-45

2．2．1 軸面網(wǎng)格的劃分40

2．2．2 上冠和下環(huán)以及葉片進(jìn)、出水邊數(shù)據(jù)的處理40-41

2．2．3 葉片曲面的形成41-43

2．2．4 葉片幾何造型型面的檢查43-45

2．3 混流式轉(zhuǎn)輪葉片幾何模型的生成及單元網(wǎng)格的劃分45-50

2．3．1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪幾何模型的生成45-47

2．3．2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪及葉片有限元模型的生成47-50

第三章 考慮流速場(chǎng)影響的轉(zhuǎn)輪葉片流固耦合振動(dòng)方程50-62

3．1 轉(zhuǎn)輪葉片流固耦合系統(tǒng)基本方程51-54

3．1．1 線彈性結(jié)構(gòu)小變形運(yùn)動(dòng)的基本方程52

3．1．2 理想不可壓縮流體小擾動(dòng)基本方程52-54

3．2 耦合條件54-55

3．3 流固耦合系統(tǒng)的有限元方程55-59

3．4 流固耦合系統(tǒng)有限元方程各項(xiàng)物理意義的討論59-62

3．4．1 僅考慮流固慣性耦合的影響59-61

3．4．2 考慮流速場(chǎng)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響61-62

第四章 大型混流式水輪機(jī)葉片流固耦合動(dòng)力特性分析62-90

4．1 基于聲學(xué)理論的有限元方法63-69

4．1．1 聲波方程63-64

4．1．2 無損耗波動(dòng)方程的離散化64-66

4．1．3 水輪機(jī)葉片結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程的離散化66-68

4．1．4 結(jié)構(gòu)一聲場(chǎng)耦合有限元方程68-69

4．2 模態(tài)分析基本原理69-71

4．3 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在空氣及水介質(zhì)中的模態(tài)分析71-77

4．3．1 計(jì)算模型71-73

4．3．2 計(jì)算結(jié)果73-75

4．3．3 結(jié)果分析75-77

4．4 水輪機(jī)單個(gè)葉片在空氣中和水中的模態(tài)分析77-80

4．4．1 計(jì)算模型77-78

4．4．2 計(jì)算結(jié)果78-79

4．4．3 結(jié)果分析79-80

4．5 轉(zhuǎn)輪葉片在穩(wěn)定工況運(yùn)行時(shí)共振的可能性80-82

4．5．1 幾種典型激振力頻率的計(jì)算80-82

4．5．2 轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率與幾種典型激振力頻率的對(duì)比分析82

4．6 離心力和靜水壓力及流體密度對(duì)葉片動(dòng)力特性的影響82-90

4．6．1 考慮初應(yīng)力影響的轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)力學(xué)方程82-84

4．6．2 旋轉(zhuǎn)離心力對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)力特性的影響84-86

4．6．3 靜水壓力對(duì)葉片動(dòng)力特性的影響86-87

4．6．4 流體密度對(duì)葉片動(dòng)力特性的影響87-90

第五章 粘性流場(chǎng)中轉(zhuǎn)輪葉片流固耦合振動(dòng)數(shù)學(xué)模型90-104

5．1 基本假定91

5．2 物理模型91-92

5．3 流固耦合系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程及邊界條件92-94

5．3．1 固體部分92-93

5．3．2 液體部分93-94

5．3．3 流固交接面連續(xù)條件94

5．4 流固耦合系統(tǒng)問題的廣義變分原理94-98

5．5 轉(zhuǎn)輪葉片流固動(dòng)力耦合系統(tǒng)理論數(shù)學(xué)模型的建立98-104

第六章 結(jié)論與展望104-107

6．1 主要研究成果和結(jié)論104-106

6．2 研究展望106-107

致謝107-108

參考文獻(xiàn)108-115

附錄 A115-121

附錄 B121-128

附錄 C128

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