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《中国矿业大学》 2009年
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对旋轴流风机流固耦合特性研究及其基于非线性动力学的应用

周忠宁  
【摘要】: 叶轮机械的各种故障,如喘振、失速、叶片断裂等,与叶轮机械内各种流固耦合现象尤其是流体和叶轮叶片耦合有着直接的关系。因此对于叶轮机械内的非定常流场和叶片动力特性研究是流固耦合问题最重要的研究课题,对指导相关设备的设计和运行具有重要的意义。 本文从实验研究、数值分析两个方面着手,以矿用对旋轴流风机为例全面分析了基于流固耦合考虑的三维流场特性与叶片动力特性,有针对性的给出了改善流场流动状况及叶片振动的方法。并在此基础上,根据对旋风机的流固耦合特性,进行了基于非线性理论的叶片振动非接触测量方法可行性研究、风机运行状态预测及故障判别等研究。 本文首先通过流场试验与基于单传感器的叶片振动非接触测试试验获得了气体压力脉动信号、叶片振动信号,通过这些信号的频谱分析,揭示了对旋风机存在流场与叶片的耦合现象。 其次进行了采用动力LES模型的风机全通道三维非定常流固耦合数值模拟。 通过流场的实验与数值研究,得出了对旋风机耦合流场的一些非定常特征:前级转子的尾迹干扰及后级转子的势作用干扰;信号频率滑差;叶顶处压力脉动比叶跟、叶中的强烈;利用希尔伯特—黄变换对低频区域的压力脉动进行分析,发现了旋转失速、气流激振、喘振等非定常气动因素。数值模拟中揭示了叶片前缘二次流、叶片尾涡、通道涡、绕流、叶顶间隙流及间隙涡等流场固有非定常现象。针对试验与数值发现的流场叶顶区域流动复杂性,设计了叶片分离器改善叶顶部位的非定常流动,发现其对抑制对旋风机的波谷有一定作用。 通过数值模拟得到了叶片表面压力分布及变形、应力等动力特性:叶片表面产生了较大的压力梯度,压力面的叶片前缘正压区域向叶片中部和后缘移动;叶片最大应力集中在根部且偏向叶片前缘,叶片根部应力受到流体质量和流动状态的双重影响;叶片的变形量变化与叶片应力变化趋势一致,随着流量的减少,变形位置由叶片顶端前缘向中部和后缘移动。为获得二级叶片更多的动力特性信息,本文首次同时将耦合流场与旋转预应力因素考虑到叶轮机械叶片的动力特性分析中。发现模态频率约10Hz的上升,模态振型发生了最大位移位置点转移、振动方向改变的状况;在叶片瞬态动力学分析中发现叶片的根部应力在较大的范围内波动。针对叶片动力特性的试验及数值模拟结果,提出了基于模态试验的叶片结构动力修改的方法,但这种方法的实际可操作性较差,同时指出在叶片设计过程中对风机叶片模态频率采用有限元分析,以避开叶片通过频率是改善叶片振动切实可行的方法。 最后将级间流场的脉动时间序列信号首先进行了小波降噪处理,对叶片振动信号和降噪后的脉动信号进行相空间重构,获得了关联维、近似熵、L—Z复杂度的量化数据。发现叶片振动信号与气流脉动信号量化数据在不同工况下整体结构变化的趋势是一致的。根据对旋风机的流固耦合特性,提出了利用气动信号对风机叶片进行非接触测量与监测,并验证了这种方法的可行性;发现关联维数对失速信号是敏感的,可以用作判断风机旋转失速的特征量。同时根据量化数据与特征参数计算的结果与支持向量机结合建立了风机流场非线性系统的预测模型,进行了支持向量机的风机状态预测与诊断研究。
【学位授予单位】:中国矿业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O354

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【引证文献】
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【参考文献】
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【共引文献】
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10 杜磊;刘一峰;;L波段固定式边界层风廓线雷达的应用[A];第八届长三角气象科技发展论坛论文集[C];2011年
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3 赵莹;半监督支持向量机学习算法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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6 母丽华;煤矿安全预警系统的方法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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8 邓锐;阻流板对双体船水动力性能影响的数值研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
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1 王春霞;倾斜巷道中风流方向对瓦斯分布与瓦斯积聚的影响[D];河南理工大学;2010年
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4 杨毅;FMCW雷达高度表数字信号处理技术研究[D];中国工程物理研究院;2009年
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【同被引文献】
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2 李秋实,陆亚钧,于清;对旋轴流压缩系统的增压扩稳途径实验分析[J];北京航空航天大学学报;2000年06期
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10 袁小平;李贞杰;胡昌伟;王晓林;;双级轴流局部通风机性能试验研究[J];矿业安全与环保;2007年S1期
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【二级引证文献】
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1 李伟;斜流泵启动过程瞬态非定常内流特性及实验研究[D];江苏大学;2012年
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1 王守兵;柔性膜片式流体滤波器的研究[D];长沙理工大学;2012年
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【二级参考文献】
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1 王少波;混流式水轮机转轮动力特性分析及综合优化设计[D];机械科学研究院;2003年
2 游斌;前缘弯掠(扭)斜流转子内流机制的数值分析及实验研究[D];华中科技大学;2004年
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【相似文献】
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7 王建省;王晓纯;;热流作用的多孔介质突变面梯度分布模型[A];第九届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ卷[C];2000年
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1 记者 陈建强 通讯员 孙卫军;大型旋转机械非线性动力学研究成果丰硕[N];光明日报;2003年
2 本报记者 刘垠;会员日里讲述别样精彩人生[N];大众科技报;2009年
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7 李彩香;探索凝固技术奥妙[N];中国航空报;2002年
8 记者 陈建强 通讯员 李丹 孙卫军;我科学家发现固体内存在“流动的液体”[N];光明日报;2001年
9 记者 常姗姗 通讯员 李丹 孙卫军;固体内存在“流动的液体”[N];科技日报;2001年
10 北京大学哲学系副教授 刘华杰;中国学派的标志性著作[N];中国教育报;2001年
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7 孙保苍;轴承—转子系统非线性动力学若干问题研究[D];南京航空航天大学;2002年
8 金琰;叶轮机械中若干气流激振问题的流固耦合数值研究[D];清华大学;2002年
9 游荣义;脑电信号非线性分析方法的研究[D];厦门大学;2003年
10 周志军;低渗透储层流固耦合渗流理论及应用研究[D];大庆石油学院;2003年
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1 陈钢;高速弹丸冲击下油箱动态响应的数值模拟[D];西北工业大学;2005年
2 吉小艳;弧形钢闸门主框架动力稳定性的研究[D];西北农林科技大学;2004年
3 吴忆峰;基于传声损失的双层隔声窗结构参数的优化设计与分析[D];汕头大学;2005年
4 党小建;水轮机导叶流固耦合振动特性计算[D];西安理工大学;2004年
5 王立刚;机床切削颤振的非线性振动研究[D];天津大学;2004年
6 王波;撬装式自动混浆系统研究[D];西南石油学院;2004年
7 陆春华;液饱和多孔介质动力响应的弹塑性有限元分析[D];重庆大学;2004年
8 曹明;流固耦合下压力管道动态断裂数值分析[D];浙江大学;2006年
9 钱鋆;水声信号的非线性动力学检测[D];东南大学;2006年
10 王永权;液力偶合器叶轮与流体的流固耦合模拟与分析[D];吉林大学;2009年
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