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大型水轮机振动分析及粘性流体与弹性结构耦合的有限元格式

王辉  
【摘要】:三峡工程是世界上最伟大的工程之一,具有重大的社会、经济意义。她的建设,不仅会促进我国经济、工业发展,同时对基础科学技术的发展提供了难得的机遇。三峡水轮机是世界规模最大的水轮机组之一,随着机组规模的增大,稳定性问题成为水轮机设计考虑的重要因素。大型水轮机稳定性主要涉及两个方面:一.涡带的影响;二.叶片与水流的耦合振动。第二个方面是一个典型的流固耦合问题,工程中属于此类的问题还有许多,它们构成了本文研究主要背景。 涡带对水轮机轴系产生一种横向力的扰动,因为水轮机内流动的复杂性,此方面的研究还比较少。对于叶片与水流的耦合振动以及工程中大量的流固耦合问题,传统的做法是将流体作很多简化,如假设流体为无粘、无旋、小扰动的介质。而这些方法显然无法分析由于流体粘性带来的复杂流固耦合问题。 本文针对水轮机组第一种不稳定因素,建立了一种计算水轮机轴系横向力的可行性方法。在通过对尾水管内涡带对转轮影响方式的调查研究,建立涡带周期脉动的简化模型,将这种脉动作用于转轮流场计算模型上,最终计算得到了不平衡横向力,将可以作为轴系分析的已知外力,为水轮机轴系动力分析提供数据。但更准确地进行动态分析,需要考虑叶片与流体之间的耦合作用。 对于水轮机及工程中大量存在的流固耦合问题,进行了更一般性的有限元方法的研究。文中建立了一种有效的分析不可压粘性流体与结构耦合作用的有限元方法。这方面的工作有:1.根据流体粘性在耦合作用中起的作用,采用粘性不可压的流体模型。选取SU/PG有限元这种广泛应用的方法,对SU/PG进行了论证,推导出一些结论;2.形成本文简化的SU/PG格式,编制了流场分析程序,实现了定常、非定常问题的计算;3.采用ALE描述,对ALE描述的本质进行了论证,对ALE描述网格修正应满足的规律进行了探讨;4.形成不可压粘性流体与结构耦合作用模型;5.形成求解流体-结构耦合非线性有限元方程的修正的Predictor-Multicorrector算法;6.编程进行了粘性流体-结构耦合分析,计算了三个算例。通过对算例的分析,得到了流体不同特性对耦合作用的影响,计算得到了涡街引起板振动的算例。 另外,作为工程实用非常必要的辅助手段,本文进行了流固耦合计算结果的可视化工作。以简单的算法实现了令人满意的压力等值线图、速度矢量图显示输出,以及动画显示耦合振动的过程。


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