考虑流固耦合作用水泵水轮机泵模式下压力脉动研究

发布时间：2017-09-10 21:32

  本文关键词：考虑流固耦合作用水泵水轮机泵模式下压力脉动研究

  更多相关文章： 水泵水轮机 可压缩 大涡模拟 双向流固耦合 压力脉动

【摘要】：水泵水轮机的设计是以泵模式为主,泵模式特性曲线上存在“驼峰区”,对机组稳定运行造成不利影响。影响机组稳定运行的重要因素是流场中复杂的压力脉动,可以通过数值模拟的方法对压力脉动的特征进行初步分析。为实现上述目的,本课题对模型水泵水轮机在泵模式下全流道流场进行了定常、非定常数值计算,研究了水泵水轮机在泵模式下通过雷诺时均(RANS)方法和大涡模拟(LES)方法以及考虑流体可压缩性的非定常压力脉动特性,以及流固耦合作用对水泵水轮机泵模式压力脉动的影响。本课题的研究内容包括以下几个方面:(1)采用ANSYS FLUENT提供的SST k??湍流模型分别考虑流体可压缩性和不考虑流体可压缩性进行计算。对比可压缩以及不可压缩计算结果,分析流体压缩性对水泵水轮机压力脉动的影响。(2)采用定常RANS方法和LES方法对模型水泵水轮机全流道流场进行数值模拟,获得水泵水轮机泵模式下的外特性曲线,分析水泵水轮机内部的压力场、速度矢量场、涡量场分布,从多角度研究水泵水轮机内部的流动现象,比较RANS方法和LES方法计算的流场压力脉动结果。(3)应用Mp CCI软件作为耦合代码接口,采用ANSYS FLUENT进行真机水泵水轮机全流道流场计算,采用ANSYS APDL计算活动导叶结构场,实现时间异步水泵水轮机的双向顺序流固耦合计算。比较测点双向顺序流固耦合计算的压力脉动结果与流场非耦合计算结果,分析双向流固耦合作用对流场压力脉动的影响。研究结果表明,不考虑流体压缩性RANS方法计算得到的尾水管至固定导叶内9倍频、18倍频和27倍频的压力脉动频率成分主要由转轮与活动导叶的动静干涉引起。大涡模拟以及考虑流体压缩性计算得到的模型水泵水轮机流场压力脉动相对幅值基本高于不考虑流体可压缩性RANS方法计算结果,大涡模拟结果显示模型水泵水轮机转轮内存在动态失速现象。真机水泵水轮机导叶在双向流固耦合作用下最大位移在0.5mm左右。耦合计算得到的叶片附近流道压力脉动相对幅值要高于非耦合计算结果,但是9倍频和18倍频的压力脉动幅值低于非耦合计算结果。
【关键词】：水泵水轮机 可压缩 大涡模拟 双向流固耦合 压力脉动
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK730
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 课题来源及背景9
• 1.2 水泵水轮机压力脉动的研究背景及意义9-10
• 1.3 国内外水泵水轮机及流固耦合研究现状及分析10-16
• 1.3.1 国内外水泵水轮机研究现状10-13
• 1.3.2 国内外流固耦合研究现状13-15
• 1.3.3 国内外研究现状简析15-16
• 1.4 本文的主要研究内容16-17
• 第2章 数值计算方法及前处理17-30
• 2.1 雷诺时均法基本理论17-21
• 2.1.1 流体力学基本方程17-18
• 2.1.2 可压缩流动控制方程18-19
• 2.1.3 湍流模型19-21
• 2.2 大涡数值模拟基本理论21-22
• 2.2.1 基本控制方程21-22
• 2.2.2 亚格子模型22
• 2.3 数值计算方法22-24
• 2.3.1 控制方程离散化22-23
• 2.3.2 数值求解方法23-24
• 2.4 边界条件24-25
• 2.4.1 进口边界条件24
• 2.4.2 出口边界条件24-25
• 2.4.3 转动部分25
• 2.5 流固耦合数值计算方法25-29
• 2.5.1 固体结构的有限元理论25-27
• 2.5.2 流固耦合求解基本策略27-29
• 2.6 本章小结29-30
• 第3章 模型水泵水轮机RANS方法压力脉动分析30-50
• 3.1 几何模型及网格划分30-35
• 3.1.1 计算域几何建模30-31
• 3.1.2 计算域网格划分31-34
• 3.1.3 压力脉动监测点布置34-35
• 3.2 外特性计算结果与试验验证35-38
• 3.2.1 网格无关性验证35-36
• 3.2.2 外特性计算结果与试验验证36-38
• 3.3 不可压数值计算压力脉动结果分析38-44
• 3.4 可压与不可压计算压力脉动结果对比分析44-49
• 3.5 本章小结49-50
• 第4章 模型水泵水轮机大涡模拟压力脉动分析50-75
• 4.1 大涡模拟网格分辨率分析50-53
• 4.2 大涡模拟流场分析53-65
• 4.2.1 RANS与LES流场计算结果分析53-57
• 4.2.2 不同流量LES流场计算结果分析57-62
• 4.2.3 转轮流场随时间变化规律62-65
• 4.3 大涡模拟压力脉动分析65-73
• 4.3.1 RANS与LES数值计算压力脉动结果分析65-70
• 4.3.2 不同流量LES计算结果分析70-73
• 4.4 本章小结73-75
• 第5章 真机导叶双向流固耦合压力脉动分析75-96
• 5.1 导叶结构网格划分及边界条件设置75-80
• 5.1.1 网格划分及动网格更新方法75-76
• 5.1.2 边界及初始条件76-77
• 5.1.3 时间异步方法77-79
• 5.1.4 耦合面数据传递方法79-80
• 5.2 流场与结构场计算结果验证80-82
• 5.2.1 流场计算结果验证81
• 5.2.2 结构场计算结果验证81-82
• 5.3 导叶模态计算分析82-84
• 5.4 双向流固耦合作用下位移计算结果分析84-88
• 5.5 双向流固耦合作用下对非定常压力场影响对比分析88-95
• 5.6 本章小结95-96
• 结论96-98
• 参考文献98-101
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果101-103
• 致谢103

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 肖若富;王正伟;罗永要;;Dynamic Stresses in a Francis Turbine Runner Based on Fluid-Structure Interaction Analysis[J];Tsinghua Science and Technology;2008年05期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 卢秀泉;调速型液力偶合器流固耦合与振动特性研究[D];吉林大学;2012年

2 尹俊连;水泵水轮机“S”区内流机理及优化设计研究[D];浙江大学;2012年

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 钟洋洋;轴流泵流场数值模拟与涡提取研究[D];华中科技大学;2012年

，

本文编号：826784