基于双向流固耦合的混流式水轮机转轮特性分析

摘要

混流式水轮机在水电站中的应用占有很大的比例，而转轮是实现水轮机能量转换的重要组成部分。本文利用ANSYS-Workbench平台，对某中低水头混流式水轮机进行了非定常流场计算和双向稳态流固耦合计算，探究了双向流固耦合算法在水轮机性能分析中的应用价值，并对转轮因水流压力做出的反应，以及转轮变形对流场产生的影响做了分析。
　　本篇文章对国内外水轮机组动力特性的研究现状做了总结后，又针对自己所做的研究，做了以下工作:
　　(1)利用三维造型软件，对混流式水轮机各部件的计算域进行模型建立，并对各计算域进行了网格划分。
　　(2)利用有限体积法对该水轮机进行了三维非定常流场数值计算，获得不考虑流固耦合作用的稳态流场分布，并绘制出计算所得的模型综合特性曲线，为之后进行流固耦合计算提供了基础和对比依据。
　　(3)对转轮结构进行稳态动力分析，分析了转轮叶片的动应力分布与变形位移分布，并分析了双向流固耦合计算所得转轮内流场分布规律。
　　(4)对转轮进行干、湿模态分析以及预应力作用下的模态进行了分析，剖析了三种分析方式各自振动特点，对三种模态分析结果进行了比较，分析了水介质以及预应力对转轮振动频率和振型的影响。
　　由以上工作的结果分析可知，如果只进行水轮机水力性能研究，可将叶片视为刚性体，只对流场进行数值计算分析，即可满足工程要求;如果要计算分析转轮的力学特性，就需采用双向流固耦合算法。转轮在水中产生振动时，低阶模态频率受水作用的影响较小，高阶模态受水作用的影响较大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源

1．2 研究背景及现状

1．2．1 课题的研究背景

1．2．2 国内外对流固耦合计算方法研究现状

1．3 本文研究内容

本章小结

第2章 流固耦合理论基础

2．1 水轮机全流道湍流计算数学模型

2．1．1 湍流研究方法

2．1．2 湍流模型

2．2 力学特性分析基础数学模型

2．2．1 有限元理论

2．2．2 模态分析理论

2．2．3 流固耦合数学模型

本章小结

第3章 水轮机全流道模型的建立及网格划分

3．1 转轮域模型

3．1．1 转轮的三维造型

3．1．2 转轮重构与流体域网格划分

3．2 蜗壳流体域建模及网格划分

3．3 导水机构模型建立与网格划分

3．4 尾水管流体域建模

3．5 水轮机内部流体各计算域及其网格

本章小节

第4章 水轮机特性数值分析的两种计算方法

4．1 水轮机转轮特性计算的两种数值算法简介

4．2 流固耦合数据传递模型的建立

4．3 非定常流场模拟及流固耦合计算

4．3．1 水轮机全流域前处理设置

4．3．2 非定常流场模拟计算

4．3．3 双向流固耦合计算工况的选取

4．3．4 流固耦合计算模型边界条件设定

4．4 采用两种数值模拟方法计算转轮特性的结果分析

本章小结

第5章 基于双向流固耦合算法的混流式转轮特性分析

5．1 流场分布情况分析

5．1．1 叶片表面流速场分布

5．1．2 叶片表面压力场分布

5．2 混流式转轮叶片力学特性分析

5．2．1 转轮叶片的应变位移分布分析

5．2．2 转轮叶片应力分布分析

5．3 两种数值计算方法的转矩比较与分析

本章小结

第6章 水轮机转轮模态分析

6．1 预应力模态分析

6．2 转轮湿模态分析

6．2．1 湿模态边界条件设置

6．2．2 湿模态分析

6．3 三种模态分析的比较

本章小结

第7章 结论与展望

7．1 本文结论

7．2 展望工作

致谢

参考文献

作者简介

发表论文及科研情况