為了深入研究流固耦合作用對(duì)貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪動(dòng)力特性及內(nèi)部流場的影響,文中采用商業(yè)軟件CFX和ANSYS APDL對(duì)貫流式水輪機(jī)流體域和固體域進(jìn)行耦合求解,分析了耦合作用對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力及應(yīng)變的影響,并將耦合數(shù)值計(jì)算得到的轉(zhuǎn)輪外特性與實(shí)測值進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:考慮耦合作用后,轉(zhuǎn)輪的效率、水頭與耦合前相比都有不同程度的下降,最大值分別為0.6%、0.21 m。同時(shí)在靠近葉片出水邊輪緣附近,耦合后壓力面與吸力面壓力差有所下降,說明耦合作用會(huì)降低轉(zhuǎn)輪的水力性能。2種耦合計(jì)算方法求解得到的葉片的等效應(yīng)力分布基本一致,應(yīng)力集中都出現(xiàn)在轉(zhuǎn)輪葉片與樞軸法蘭聯(lián)接處,同時(shí)雙向耦合下最大等效應(yīng)力的主頻與單向耦合相比有明顯下降的趨勢,由于雙向耦合考慮了結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中周圍水體與結(jié)構(gòu)的相互影響。該研究為實(shí)際工程中準(zhǔn)確地進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的水力性能預(yù)估和葉片結(jié)構(gòu)在水中瞬態(tài)響應(yīng)計(jì)算提供了參考。 

【文章來源】：農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào). 2016,32(04)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

計(jì)算網(wǎng)格Fig.1Computationalmesh

eGZ48N28A-WP-550最大水頭Maximumhead/m12.2額定水頭Ratedhead/m9.5最小水頭Minimumhead/m6.1額定出力Ratingoutput/MW22.18水重量Waterunitweight/(kN·m-3)9.775最大出力Maximumoutput/MW25.8額定流量Ratedflow/(m3·s-1)256額定轉(zhuǎn)速Ratedspeed/(r·min-1)100由于流固耦合數(shù)值計(jì)算的復(fù)雜性，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件提出較高的要求，受計(jì)算機(jī)資源的限制。本文采用單周期流道（1/4導(dǎo)葉區(qū)域，1/4轉(zhuǎn)輪區(qū)域，同時(shí)為了提高數(shù)值模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)進(jìn)口和出口進(jìn)行一定的延長）進(jìn)行流固耦合數(shù)值計(jì)算,計(jì)算網(wǎng)格如圖1所示。a.流體域網(wǎng)格a.Fluidmeshb.固體域網(wǎng)格b.Solidmesh圖1計(jì)算網(wǎng)格Fig.1Computationalmesh流體域使用ICEM進(jìn)行六面體網(wǎng)格的劃分，固體域運(yùn)用ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，為了準(zhǔn)確地捕捉邊界層流動(dòng)，整個(gè)流體域網(wǎng)格最大y+約為150，能夠較為準(zhǔn)確地獲得計(jì)算結(jié)果，其中流體域網(wǎng)格數(shù)為874619，結(jié)構(gòu)域網(wǎng)格數(shù)為16673。同時(shí)在耦合求解的過程，為了保證耦合交界面數(shù)據(jù)傳遞的精度，固體域采用帶中間節(jié)點(diǎn)的solid186六面體和solid187四面體單元，此單元能夠較好地處理大變形和大應(yīng)變的問題。文中轉(zhuǎn)輪葉片的材料為0Cr13Ni5Mo（密度為7850kg/m3；彈性模量為210MPa，泊松比為0.3）。3計(jì)算邊界條件及工況點(diǎn)參數(shù)在流場計(jì)算時(shí)，計(jì)算域進(jìn)口邊界給定質(zhì)量流量及流動(dòng)方向，出口邊界給定靜壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，計(jì)算域參考?jí)毫υO(shè)0，壁面邊界都給定為無滑移壁面。固體域計(jì)算過程中，葉片樞軸圓柱面施加固定約束，離心力通過繞Z軸順時(shí)針方向的角速度施加，重力初始方向?yàn)閄軸正方向、流體域?qū)Y(jié)構(gòu)的水壓力通過流固耦合面施加。圖2為轉(zhuǎn)輪葉片約束及荷載。圖2轉(zhuǎn)輪葉片約束及荷載Fig.2Runnerbladeconstraintandload為了保證

節(jié)點(diǎn)的solid186六面體和solid187四面體單元，此單元能夠較好地處理大變形和大應(yīng)變的問題。文中轉(zhuǎn)輪葉片的材料為0Cr13Ni5Mo（密度為7850kg/m3；彈性模量為210MPa，泊松比為0.3）。3計(jì)算邊界條件及工況點(diǎn)參數(shù)在流場計(jì)算時(shí)，計(jì)算域進(jìn)口邊界給定質(zhì)量流量及流動(dòng)方向，出口邊界給定靜壓為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，計(jì)算域參考?jí)毫υO(shè)0，壁面邊界都給定為無滑移壁面。固體域計(jì)算過程中，葉片樞軸圓柱面施加固定約束，離心力通過繞Z軸順時(shí)針方向的角速度施加，重力初始方向?yàn)閄軸正方向、流體域?qū)Y(jié)構(gòu)的水壓力通過流固耦合面施加。圖2為轉(zhuǎn)輪葉片約束及荷載。圖2轉(zhuǎn)輪葉片約束及荷載Fig.2Runnerbladeconstraintandload為了保證流固耦合計(jì)算具有相同的葉片實(shí)體模型，選取不同導(dǎo)葉開度、相同葉片轉(zhuǎn)角的三個(gè)工況點(diǎn)作為計(jì)算工況，具體參數(shù)如表2所示。表2計(jì)算工況點(diǎn)Table2Operationpointsforsimulations工況點(diǎn)Conditionpoint流量FlowrateQ/(m3·s-1)水頭HeadH/m導(dǎo)葉開度Degreeofguidevaneα0/(°)槳葉開度Degreeofrunnerbladeφ/(°)工況一Firstcondition1726.465工況二Secondcondition1708.160工況三Thirdcondition169.110.15525CFX軟件采用的是隱式歐拉時(shí)間離散方法，計(jì)算結(jié)果是數(shù)值穩(wěn)定的，對(duì)于時(shí)間步長的選擇沒有特殊限制。瞬態(tài)計(jì)算的時(shí)間步長根據(jù)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)的角度確定，計(jì)算方法如下[28]。π180tωΔΔ=（5）式中Δ旋轉(zhuǎn)角度，(°)；ω為旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；Δt為時(shí)間步長，s。文中取Δ=3°，即Δt=0.005s。計(jì)算總時(shí)間為1.8s。同時(shí)為了保證雙向耦合計(jì)算的精度，初始流場是單周期計(jì)算模型旋轉(zhuǎn)4個(gè)周期后的計(jì)算結(jié)果。

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本文編號(hào)：3541413