基于双向流固耦合的贯流式水轮机动力特性分析
发布时间：2021-12-18 02:05
为了深入研究流固耦合作用对贯流式水轮机转轮动力特性及内部流场的影响,文中采用商业软件CFX和ANSYS APDL对贯流式水轮机流体域和固体域进行耦合求解,分析了耦合作用对结构应力及应变的影响,并将耦合数值计算得到的转轮外特性与实测值进行了对比。结果表明:考虑耦合作用后,转轮的效率、水头与耦合前相比都有不同程度的下降,最大值分别为0.6%、0.21 m。同时在靠近叶片出水边轮缘附近,耦合后压力面与吸力面压力差有所下降,说明耦合作用会降低转轮的水力性能。2种耦合计算方法求解得到的叶片的等效应力分布基本一致,应力集中都出现在转轮叶片与枢轴法兰联接处,同时双向耦合下最大等效应力的主频与单向耦合相比有明显下降的趋势,由于双向耦合考虑了结构在运动过程中周围水体与结构的相互影响。该研究为实际工程中准确地进行转轮的水力性能预估和叶片结构在水中瞬态响应计算提供了参考。
【文章来源】：农业工程学报. 2016,32(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
计算网格Fig.1Computationalmesh
eGZ48N28A-WP-550最大水头Maximumhead/m12.2额定水头Ratedhead/m9.5最小水头Minimumhead/m6.1额定出力Ratingoutput/MW22.18水重量Waterunitweight/(kN·m-3)9.775最大出力Maximumoutput/MW25.8额定流量Ratedflow/(m3·s-1)256额定转速Ratedspeed/(r·min-1)100由于流固耦合数值计算的复杂性，对计算机硬件提出较高的要求，受计算机资源的限制。本文采用单周期流道（1/4导叶区域，1/4转轮区域，同时为了提高数值模拟计算的准确性，对进口和出口进行一定的延长）进行流固耦合数值计算,计算网格如图1所示。a.流体域网格a.Fluidmeshb.固体域网格b.Solidmesh图1计算网格Fig.1Computationalmesh流体域使用ICEM进行六面体网格的划分，固体域运用ANSYS进行网格的划分，为了准确地捕捉边界层流动，整个流体域网格最大y+约为150，能够较为准确地获得计算结果，其中流体域网格数为874619，结构域网格数为16673。同时在耦合求解的过程，为了保证耦合交界面数据传递的精度，固体域采用带中间节点的solid186六面体和solid187四面体单元，此单元能够较好地处理大变形和大应变的问题。文中转轮叶片的材料为0Cr13Ni5Mo（密度为7850kg/m3；弹性模量为210MPa，泊松比为0.3）。3计算边界条件及工况点参数在流场计算时，计算域进口边界给定质量流量及流动方向，出口边界给定静压为一个标准大气压，计算域参考压力设0，壁面边界都给定为无滑移壁面。固体域计算过程中，叶片枢轴圆柱面施加固定约束，离心力通过绕Z轴顺时针方向的角速度施加，重力初始方向为X轴正方向、流体域对结构的水压力通过流固耦合面施加。图2为转轮叶片约束及荷载。图2转轮叶片约束及荷载Fig.2Runnerbladeconstraintandload为了保证
节点的solid186六面体和solid187四面体单元，此单元能够较好地处理大变形和大应变的问题。文中转轮叶片的材料为0Cr13Ni5Mo（密度为7850kg/m3；弹性模量为210MPa，泊松比为0.3）。3计算边界条件及工况点参数在流场计算时，计算域进口边界给定质量流量及流动方向，出口边界给定静压为一个标准大气压，计算域参考压力设0，壁面边界都给定为无滑移壁面。固体域计算过程中，叶片枢轴圆柱面施加固定约束，离心力通过绕Z轴顺时针方向的角速度施加，重力初始方向为X轴正方向、流体域对结构的水压力通过流固耦合面施加。图2为转轮叶片约束及荷载。图2转轮叶片约束及荷载Fig.2Runnerbladeconstraintandload为了保证流固耦合计算具有相同的叶片实体模型，选取不同导叶开度、相同叶片转角的三个工况点作为计算工况，具体参数如表2所示。表2计算工况点Table2Operationpointsforsimulations工况点Conditionpoint流量FlowrateQ/(m3·s-1)水头HeadH/m导叶开度Degreeofguidevaneα0/(°)桨叶开度Degreeofrunnerbladeφ/(°)工况一Firstcondition1726.465工况二Secondcondition1708.160工况三Thirdcondition169.110.15525CFX软件采用的是隐式欧拉时间离散方法，计算结果是数值稳定的，对于时间步长的选择没有特殊限制。瞬态计算的时间步长根据转轮旋转的角度确定，计算方法如下[28]。π180tωΔΔ=（5）式中Δ旋转角度，(°)；ω为旋转角速度，rad/s；Δt为时间步长，s。文中取Δ=3°，即Δt=0.005s。计算总时间为1.8s。同时为了保证双向耦合计算的精度，初始流场是单周期计算模型旋转4个周期后的计算结果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响[J]. 冯建军,罗兴锜,吴广宽,朱国俊. 农业工程学报. 2015(05)
[2]基于双向流固耦合水轮机转轮应力特性分析[J]. 肖若富,朱文若,杨魏,刘洁,王福军. 排灌机械工程学报. 2013(10)
[3]基于流固耦合的轴流泵叶片应力特性[J]. 施卫东,王国涛,张德胜,蒋小平,徐燕. 排灌机械工程学报. 2013(09)
[4]离心泵流场流固耦合数值模拟[J]. 江伟,郭涛,李国君,刘三华. 农业机械学报. 2012(09)
[5]基于流固耦合的混流式水轮机转轮应力特性分析[J]. 周东岳,祝宝山,上官永红,曹树良. 水力发电学报. 2012(04)
[6]轴流式水轮机转轮流固耦合计算[J]. 张宇宁,刘树红,吴墒锋,吴玉林. 工程热物理学报. 2008(10)
[7]基于流固耦合的混流式水轮机转轮静应力特性分析[J]. 肖若富,王正伟,罗永要. 水力发电学报. 2007(03)
[8]混流式水轮机转轮动载荷作用下的应力特性[J]. 罗永要,王正伟,梁权伟. 清华大学学报(自然科学版). 2005(02)
[9]考虑流固耦合的混流式水轮机转轮模态分析[J]. 梁权伟,王正伟,方源. 水力发电学报. 2004(03)
[10]大型混流式水轮机转轮叶片结构动力特性分析[J]. 王少波,刘元杰,梁醒培. 机械强度. 2004(01)
博士论文
[1]离心泵瞬态水力激振流固耦合机理及流动非定常强度研究[D]. 裴吉.江苏大学 2013
[2]水轮机过流部件的优化设计和振动特性分析[D]. 郑小波.西安理工大学 2006
本文编号：3541413
【文章来源】：农业工程学报. 2016,32(04)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
计算网格Fig.1Computationalmesh
eGZ48N28A-WP-550最大水头Maximumhead/m12.2额定水头Ratedhead/m9.5最小水头Minimumhead/m6.1额定出力Ratingoutput/MW22.18水重量Waterunitweight/(kN·m-3)9.775最大出力Maximumoutput/MW25.8额定流量Ratedflow/(m3·s-1)256额定转速Ratedspeed/(r·min-1)100由于流固耦合数值计算的复杂性，对计算机硬件提出较高的要求，受计算机资源的限制。本文采用单周期流道（1/4导叶区域，1/4转轮区域，同时为了提高数值模拟计算的准确性，对进口和出口进行一定的延长）进行流固耦合数值计算,计算网格如图1所示。a.流体域网格a.Fluidmeshb.固体域网格b.Solidmesh图1计算网格Fig.1Computationalmesh流体域使用ICEM进行六面体网格的划分，固体域运用ANSYS进行网格的划分，为了准确地捕捉边界层流动，整个流体域网格最大y+约为150，能够较为准确地获得计算结果，其中流体域网格数为874619，结构域网格数为16673。同时在耦合求解的过程，为了保证耦合交界面数据传递的精度，固体域采用带中间节点的solid186六面体和solid187四面体单元，此单元能够较好地处理大变形和大应变的问题。文中转轮叶片的材料为0Cr13Ni5Mo（密度为7850kg/m3；弹性模量为210MPa，泊松比为0.3）。3计算边界条件及工况点参数在流场计算时，计算域进口边界给定质量流量及流动方向，出口边界给定静压为一个标准大气压，计算域参考压力设0，壁面边界都给定为无滑移壁面。固体域计算过程中，叶片枢轴圆柱面施加固定约束，离心力通过绕Z轴顺时针方向的角速度施加，重力初始方向为X轴正方向、流体域对结构的水压力通过流固耦合面施加。图2为转轮叶片约束及荷载。图2转轮叶片约束及荷载Fig.2Runnerbladeconstraintandload为了保证
节点的solid186六面体和solid187四面体单元，此单元能够较好地处理大变形和大应变的问题。文中转轮叶片的材料为0Cr13Ni5Mo（密度为7850kg/m3；弹性模量为210MPa，泊松比为0.3）。3计算边界条件及工况点参数在流场计算时，计算域进口边界给定质量流量及流动方向，出口边界给定静压为一个标准大气压，计算域参考压力设0，壁面边界都给定为无滑移壁面。固体域计算过程中，叶片枢轴圆柱面施加固定约束，离心力通过绕Z轴顺时针方向的角速度施加，重力初始方向为X轴正方向、流体域对结构的水压力通过流固耦合面施加。图2为转轮叶片约束及荷载。图2转轮叶片约束及荷载Fig.2Runnerbladeconstraintandload为了保证流固耦合计算具有相同的叶片实体模型，选取不同导叶开度、相同叶片转角的三个工况点作为计算工况，具体参数如表2所示。表2计算工况点Table2Operationpointsforsimulations工况点Conditionpoint流量FlowrateQ/(m3·s-1)水头HeadH/m导叶开度Degreeofguidevaneα0/(°)桨叶开度Degreeofrunnerbladeφ/(°)工况一Firstcondition1726.465工况二Secondcondition1708.160工况三Thirdcondition169.110.15525CFX软件采用的是隐式欧拉时间离散方法，计算结果是数值稳定的，对于时间步长的选择没有特殊限制。瞬态计算的时间步长根据转轮旋转的角度确定，计算方法如下[28]。π180tωΔΔ=（5）式中Δ旋转角度，(°)；ω为旋转角速度，rad/s；Δt为时间步长，s。文中取Δ=3°，即Δt=0.005s。计算总时间为1.8s。同时为了保证双向耦合计算的精度，初始流场是单周期计算模型旋转4个周期后的计算结果。
【参考文献】：
期刊论文
[1]间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响[J]. 冯建军,罗兴锜,吴广宽,朱国俊. 农业工程学报. 2015(05)
[2]基于双向流固耦合水轮机转轮应力特性分析[J]. 肖若富,朱文若,杨魏,刘洁,王福军. 排灌机械工程学报. 2013(10)
[3]基于流固耦合的轴流泵叶片应力特性[J]. 施卫东,王国涛,张德胜,蒋小平,徐燕. 排灌机械工程学报. 2013(09)
[4]离心泵流场流固耦合数值模拟[J]. 江伟,郭涛,李国君,刘三华. 农业机械学报. 2012(09)
[5]基于流固耦合的混流式水轮机转轮应力特性分析[J]. 周东岳,祝宝山,上官永红,曹树良. 水力发电学报. 2012(04)
[6]轴流式水轮机转轮流固耦合计算[J]. 张宇宁,刘树红,吴墒锋,吴玉林. 工程热物理学报. 2008(10)
[7]基于流固耦合的混流式水轮机转轮静应力特性分析[J]. 肖若富,王正伟,罗永要. 水力发电学报. 2007(03)
[8]混流式水轮机转轮动载荷作用下的应力特性[J]. 罗永要,王正伟,梁权伟. 清华大学学报(自然科学版). 2005(02)
[9]考虑流固耦合的混流式水轮机转轮模态分析[J]. 梁权伟,王正伟,方源. 水力发电学报. 2004(03)
[10]大型混流式水轮机转轮叶片结构动力特性分析[J]. 王少波,刘元杰,梁醒培. 机械强度. 2004(01)
博士论文
[1]离心泵瞬态水力激振流固耦合机理及流动非定常强度研究[D]. 裴吉.江苏大学 2013
[2]水轮机过流部件的优化设计和振动特性分析[D]. 郑小波.西安理工大学 2006
本文编号：3541413
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