水轮机流道流固耦合振动数值模拟

论文摘要

无论是在学术还是工程领域流固耦合振动问题是目前一个世界性难题。对流固耦合振动问题的深入研究,从而避免结构和流体耦合所诱发的共振。采用现代数值方法,准确的模拟复杂流场流动和结构振动对流场的影响以及非定常流动对结构的激励作用,对于避免流体诱发的共振从而提高结构的可靠行和安全性有重要意义。混流式水轮机的转轮则是运动部件,是整个水轮机的核心部件,当激励涡频和水轮机自振频率吻合而产生共振。所以,水轮机转轮部件进行流体-固体耦合计算对于了解水力振动机理,避免水力共振,确保机组安全稳定运行具有重要意义。本论文主要研究的内容如下：（1）实现同步迭代强耦合方式,并和弱耦合方式计算结果比较,分析各自耦合方式的优越性,用一算例加以验证。（2）采用k-ε流体求解对椭圆扰流下的薄板受激励振动研究,验证耦合方法的可行性和有效性。采用大涡模拟作为流体求解器,对固定导叶扰流脱落涡对活动导叶的激励振动进行研究。（3）全流道和转轮叶片耦合计算,监控叶片上各点的振动情况,分析整个流道的湍流情况,对转轮叶片耦合振动分析其叶片变形和振动较大的值,从而预测水轮机的非稳定现象。（4）在小流量工况下,分析尾水管的流动,观察涡带的随时间的演化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的背景及问题的提出
• 1.2 流固耦合国内外研究现状
• 1.2.1 完全耦合方式（Fully Coupled Model）
• 1.2.2 强耦合方式（Closely Coupled Model）
• 1.2.3 弱耦合方式（Loosely Coupled Model）
• 1.3 计算流体力学的研究现状
• 1.3.1 数学物理模型
• 1.3.2 计算方法
• 1.3.4 网格技术
• 1.4 固体非线性有限元动力分析方法的研究进展
• 1.5 流固-耦合的特点
• 1.5.1 任意欧拉-拉格朗日描述
• 1.5.2 动网格的更新和几何守恒定律
• 1.5.3 耦合界面插值算法
• 1.6 本文的研究内容
• 第二章 流体-固体耦合（FSI）理论
• 2.1 计算结构动力学（CSD）
• 2.1.1 连续介质力学中的结构控制方程
• 2.1.2 非线性有限元离散方程
• 2.2 流体控制方程
• 2.3 湍流模型理论
• 2.3.1 笛卡尔坐标系的标准k-ε两方程模型
• 2.4 基于能量守恒一致界面插值
• 2.5 耦合FSI界面上边界条件
• 第三章 流体数值离散方法
• 3.1 建立离散方程
• 3.2 压力-速度耦合
• 3.3 瞬态项离散
• 3.4 节点插值形函数
• 3.5 扩散项（diffusion term）
• 3.6 压力梯度项
• 3.7 对流项（advection term）
• 3.8 ALE描述下网格运动的GCL（Geometric conservation law）
• 3.9 网格变形控制
• 第四章 同步迭代强耦合方式
• 4.1 同步迭代强耦合方法实现过程
• 4.2 算例1
• 4.2.1 问题的描述
• 4.2.2 验证计算结果
• 4.3 算例2
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 耦合结果分析
• 4.3.2.1 进口速度恒定时的流场分析
• 4.3.2.2 弹性薄板的应力分析
• 4.3.2.3 进口速度线性变化的耦合分析
• 4.3.3 进口速度频率对弹性薄板振动频率的影响
• 4.3.3.1 计算结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 活动导叶耦合振动分析
• 5.1 大涡模拟和Smagorinsky涡粘性亚格子模型（SSGS）
• 5.2. 问题描述
• 5.3 耦合结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 水轮机蜗壳及转轮的耦合模拟
• 6.1 引言
• 6.1.1 研究背景及意义
• 6.1.2 研究的目的和意义
• 6.2 问题的描述
• 6.3 薄壁蜗壳的耦合模拟
• 6.3.1 网格划分
• 6.3.2 计算结果分析
• 6.3.2.1 蜗壳应力分布和变形
• 6.3.2.2 蜗壳界面上的压力脉动
• 6.4 混流式水轮机转轮流固耦合计算
• 6.4.1 计算结果分析
• 6.4.1.1 水轮机流固耦合振动分析
• 6.4.1.2 尾水管结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A （攻读硕士学位期间发表的论文）
• 附录B