水电站压力管道流固耦合水击及其振动特性的研究

发布时间：2020-05-14 15:51

【摘要】：在水电站中,压力管道是一个重要的组成部分。压力管道能否能够安全的工作对于整个水电站的正常运营来说至关重要。在水电站中,阀门的开启和关闭是不少见的,而当阀门开启和关闭时,会在管道内部产生水击。水击给管道,尤其是弱约束管道,带来的负荷是巨大的。能对水击造成的效果产生影响的参数有很多,但是主要的为阀门的开关时间、管内流速的大小、管道的结构形式等等。考虑这些参数对水击的影响规律,这对于水电站的管道结构设计具有一定的意义。此外,管道在发生水击振动时,流固耦合现象也会同时存在,流固耦合对于管道水击的影响大小也是值得分析的。最后,在管道产生水击振动时,从时域和频域两个方面对于其振动情况进行分析,对于完善其振动特性研究也具有一定的意义。本文针对与以上的几个方面,完成了以下的研究工作:(1)从经典水击理论和流固耦合水击理论的计算原理出发,分析了两者的异同,并以两种计算原理为基础,计算了三种不同长度的简单直管模型的水击振动情况,说明了考虑流固耦合作用的重要性,同时对比了管道长度对于流固耦合现象的作用效果大小;(2)以某一实际电站为原型,并做了一定程度的简化,在不同的关阀时间、不同的管内流速、不同的支墩间距条件下,利用ADINA这一有限元软件对其进行了数值仿真,分析了以上各个参数对于管道水击的影响情况;(3)从结构动力学的角度,对管道的自振特性以及共振进行了简单的叙述,并对该管道模型进行了固有频率的计算。研究了不同支墩间距对于管道固有频率的影响;(4)对管道水击计算时域结果进行了傅立叶变换,将其转换为频域解,从频域图中分析管道的振动特性,并结合固有频率对结果进行了对比,验证其计算的正确性。
【图文】：

原理图,特征线法,原理图

图 2.1 特征线法原理图根据式 2.13 所做函数图形即 s-t 图，是两条相交的直线。这是因为水击管道边界条件确定的情况下被默认为一个常数。而如图 2.1 所示的相交直特征线。式 2.14 和式 2.15 沿各自的特征线成立。利用计算机则可以对式式 2.15 进行求解，得到的解也即为式 2.5 和式 2.6 的解。值得说明的是，特征线法的关键在于选定特征值，构造合适的特征线方征值的选定会根据所解方程的复杂性而变化。当被解方程变得越来越复杂，其特征值也将变得更加复杂，，但是，特征值最终都是可取的常数值[30]。主要介绍了特征线法是如何对水击方程进行变化以及求解的。但是在微分算中，要使计算结果收敛，并得到唯一解，则必须设置好初始条件和边界条对于水击计算问题，其初始条件主要包含以下几项：1.流速；2.压强；3.上等。边界条件则主要是由管道末端连接的水电站结构所确定的，如果连接门，则可以通过阀门处流量或者流速的变化来加以模拟；如果连接的是水轮

示意图,特征线法,积分路径,示意图

图 2.2 特征线法积分路径示意图如图所示，先将管道等分成 n 份，取每段长度为 x 。假定时间步长fxtc ，对角线A 的斜率满足式 2.16 的（b）式，对角线A 的斜率满足15 的（b）式。现找如图中的一点 A，从时间上描述，A 点在 O 点之前。假和H 在A点时，其值已知并沿着斜率与 A 所示方程的斜率相同的特征线行积分，则可以得到点O 处和的关系式。同理，现找如图中一点 B，间上描述，B 点在点之后，假设和在 B 点时，其值已知并沿着斜率所示方程的斜率相同的特征线 BO进行积分，则可以得到下一点 O 处的关系式。所得到的关系式即特征线法对应的有限差分方程。对方程组 A ，在方程组左右两边同时乘以fc dtdsg g ，再将变量fv用Q，然后将其沿特征线方向积分，则有：
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TV134

【参考文献】