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混流式水轮机长短叶片转轮流固耦合分析

作　者: 杨圣辉
导　师: 张洪明
学　校: 昆明理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: ADINA 流固耦合模态分析长短叶片转轮
分类号: TK733.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

近年来,国内外一些大型混流式水轮机组在运行过程中频繁出现强烈的振动,尤其是中高比速的水轮机机组叶片开裂的问题更是遍布世界各大水电站。为此有人提出应用大叶栅密度的长短叶片形式的转轮代替以往的转轮。这种长短叶片转轮目前多用于高水头混流式水轮机中。在一些文献中也提到该种形式的转轮存在叶片开裂的现象,本文将就HL-A351长短叶片转轮进行模态分析和流固耦合分析。本文综述了国内外混流式水轮机的动力特性研究状况后,简要介绍了长短叶片转轮的优缺点。并在其后进行了以下的工作：1、借助通用有限元软件ANSYS Workbench Geometry进行长短叶片水轮机转轮极其流体区域的几何模型的生成。把木模图通过草图的方式输入Geometry,生成叶片的初始几何实体,借助Geometry的实体操作功能完成1/15的转轮流体区域、1/24的导叶流体区域及组长短叶片的几何模型。2、为了提高有限元网格的质量,本文将Geometry中生成的1/15的转轮流体区域、1/24的导叶流体区域及一组长短叶片的几何模型导入ICEM CFD专业网格生成软件建立有限元模型,生成纯六面体网格,虽然这一网格生成的难度很大,但是经过长时间的摸索、试验最终完成了质量较好的纯六面体结构网格。3、本文对转轮的长叶片、短叶片、长短组合叶片分别在空气和水介质中进行模态分析。数值计算共分六组进行,得出其频率和振型,并加以比较分析,以期得出针对长短叶片水轮机动力分析有价值的规律。叶片在空气中的模态分析相对简单；在水介质中的模态分析由于涉及到水介质的作用相对来说较为复杂,本文采用ADINA软件提供的势流体单元模拟水介质。得出了叶片在空气和水介质中模态应力、频率和振型较好的结果。4、长短叶片转轮的流固耦合分析,是本文的研究重点。水轮机转轮在进行流场分析的时候,一般情况下采取的办法是给转轮中水体一个旋转的角速度来描述运动情况。但在流固耦合分析中,诸如水轮机转轮这一类的旋转机械是在水力作用下发生的旋转,计算中不能直接给转轮一个角速度使其旋转。从运动学上来讲,这两种情况下转轮一个是从动、一个是主动。本文将利用ADINA有限元分析软件中对长短叶片转轮,仅在流体水力作用下发生旋转的运动情况进行流固耦合分析,并对上述结果做出对比,得到了一些有意义的结果。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第一章绪论  10-22
  1.1 研究背景及问题的提出  10-11
  1.2 研究的目的和意义  11-13
  1.3 水轮机长短叶片转轮国内外研究概况  13-14
  1.4 流固耦合研究概况  14-18
    1.4.1 强耦合  16-17
    1.4.2 弱耦合  17-18
  1.5 研究途径与基本技术路线  18-19
  1.6 本文的主要研究内容  19-22
第二章转轮及其叶片的有限元模型生成  22-30
  2.1 几何模型的生成  22-24
  2.2 有限元模型的生成  24-27
  2.3 网格质量检测  27-29
    2.3.1 determinant行列式  28
    2.3.2 Angle角度  28
    2.3.3 Warpage扭曲  28-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章长短叶片混流式水轮机转轮叶片的模态分析  30-40
  3.1 基于势的流体有限元法  30-33
  3.2 计算结构动力学  33-34
  3.3 长短叶片混流式水轮机叶片在空气和水中的模态分析  34-39
    3.3.1 计算模型  34-36
    3.3.2 计算结果  36-38
    3.3.3 结果分析  38-39
  3.4 本章小结  39-40
第四章长短叶片水轮机叶片和转轮的流固耦合分析  40-78
  4.1 流固耦合基础简介  40-45
    4.1.1 结构控制方程  40
    4.1.2 非线性有限元离散方程  40-41
    4.1.3 RNG κ-ε模型  41-43
    4.1.4 耦合边界  43-44
    4.1.5 滑移网格技术  44
    4.1.6 流体和结构模型中的相容时间积分  44-45
  4.2 迭代法双向耦合问题的求解  45-47
    4.2.1 耦合系统中的有限元方程  45-46
    4.2.2 迭代法求解双向耦合  46
    4.2.3 SIMPLE算法  46-47
  4.3 耦合分析准备  47-50
    4.3.1 工况的选择  48
    4.3.2 模型与材料参数  48-50
  4.4 结果分析  50-76
    4.4.1 转轮不转动时CFD计算结果  50-52
    4.4.2 转轮转动时CFD计算结果  52-54
    4.4.3 转轮不转动时FSI计算结果  54-59
    4.4.4 转轮直接加载转动时FSI计算结果  59-63
    4.4.5 转轮分级加载转动时FSI计算结果  63-68
    4.4.6 流体节点压力采集  68-71
    4.4.7 叶片节点反力采集  71-75
    4.4.8 短叶片开裂问题的探讨  75-76
  4.5 本章小结  76-78
第五章结论与展望  78-82
  5.1 主要研究成果和结论  78-79
  5.2 研究展望  79-82
致谢  82-83
参考文献  83-86
附录A  86-91
  长叶片在空气中振型图  86-88
  长叶片在水中振型图  88-91
附录B  91-96
  短叶片在空气中振型图  91-93
  短叶片在水中振型图  93-96
附录C  96-100
  长短叶片在空气中振型图  96-98
  长短叶片在水中振型图  98-100
附录D(攻读硕士期间发表的论文)  100

混流式水轮机长短叶片转轮流固耦合分析

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