混流式水轮机叶片流固耦合动力特性研究
近年来，国内外一些大型混流式水轮机机组频频出现强烈的振动现象，尤其是中高比转速水轮机叶片的裂纹现象，在世界各地普遍存在，严重危及到机组的安全运行。目前，对此问题还没有找到有效的解决方法。
混流式水轮机转轮叶片与粘性流场的相互作用不仅会激发叶片的强力振动，严重时还会导致叶片产生疲劳断裂、动力失稳等影响机组安全运行的事件。因此，研究转轮运行时叶片的振动特性对深入了解叶片的流激振动机理、避免水力共振、确保机组安全稳定运行具有重要意义。
本文在综述了国内外混流式水轮机转轮叶片动力特性的研究现状后，主要作了以下工作：
1.借助大型通用有限元分析软件ANSYS，针对混流式水轮机叶片几何造型及与叶片相关的工程计算(如水轮机转轮内部三维粘性湍流场和叶片强度及叶片振动等问题的有限元计算)中亟待解决的叶片木模图数据转换问题，采用有限元自动网格划分方法，成功地实现了把叶片木模图数据转换成适合于实际工程中需要的数据结构描述方式，用双三次B样条曲面法，对给定型值点的水轮机叶片进行曲面拟合，再现了水轮机叶片的几何外形，并给出了对水轮机叶片进行曲面拟合的数学模型。在此基础上，建立了混流式水轮机整体转轮叶片和单个叶片三维有限元分析模型，为水轮机叶片振动问题的研究奠定基础。
2.对由不可压缩理想流体和转轮叶片组成的耦合系统，从理论研究出发，采用有限元法的位移－速度势格式，使用加权余量法中的Galerkin法，对耦合系统进行有限元离散，从而导出了系统在流动流体中的流固耦合有限元方程，根据方程中各项的物理意义，详细讨论了流速场对叶片振动特性的影响，并分析了附加质量的计算方法及附加质量的影响因素。
3.根据转轮叶片在运行时的受力特点及其所要考虑的影响因素，对可压缩理想流体与转轮叶片组成的线性流固耦合系统，采用有限元方法中的位移－压力格式，应用Galerkin法对流体和固体结构进行离散，建立了系统流固耦合有限元方程。并借助于有限元软件ANSYS中的流固耦合功能分别对两种不同介质下的整体转轮叶片及单个叶片进行了模态分析，得到了转轮叶片及单个叶片在空气中和静止流体中的白振特性，并对计算结果进行了详细的对比分析，发现了一些有价值的振动规律，同时，针对计算结果，分析了该水轮机叶片在运行工况下发生共振的可能性。此外，还详细讨论了离心力和静水压力及流体密度对水轮机叶片动力特性的影响，结果表明，对于大型水轮机叶片而言，可以不考虑离心力和静水压力对其动力特性的影响，但发现叶片的动力特性对流体密度的变化以及动水压力比较敏感。
4.根据广义变分原理，应用Lagrangian乘子法引入系统各个边界条件及耦合面的约束条件，构造出并证明了一个能够较为真实的描述转轮叶片与三维粘性流场相互作用的内在机理的泛涵。在此基础上，采用位移－位移－压力混合格式，通过对泛涵取变分，成功地获得了一个能够用来模拟转轮叶片与粘性流场相互作用的理论数学模型，进而为深入研究转轮叶片在受激振动过程中的各种动力特性奠定了一定的理论基础。
流固耦合;混流式水轮机叶片;叶片动力特性;受激振动
昆明理工大学
硕士
工程力学
张立翔
2004
中文
TK733.1
117
2006-07-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）