考虑流固耦合作用水泵水轮机泵模式下压力脉动研究

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-ω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MpCCI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。

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第1章 绪 论

1.1课题来源及背景

1.2水泵水轮机压力脉动的研究背景及意义

1.3国内外水泵水轮机及流固耦合研究现状及分析

1.4本文的主要研究内容

第2章 数值计算方法及前处理

2.1雷诺时均法基本理论

2.2大涡数值模拟基本理论

2.3数值计算方法

2.4边界条件

2.5流固耦合数值计算方法

2.6本章小结

第3章 模型水泵水轮机RANS方法压力脉动分析

3.1几何模型及网格划分

3.2外特性计算结果与试验验证

3.3不可压数值计算压力脉动结果分析

3.4可压与不可压计算压力脉动结果对比分析

3.5本章小结

第4章 模型水泵水轮机大涡模拟压力脉动分析

4.1大涡模拟网格分辨率分析

4.2大涡模拟流场分析

4.3大涡模拟压力脉动分析

4.4本章小结

第5章 真机导叶双向流固耦合压力脉动分析

5.1导叶结构网格划分及边界条件设置

5.2流场与结构场计算结果验证

5.3导叶模态计算分析

5.4双向流固耦合作用下位移计算结果分析

5.5双向流固耦合作用下对非定常压力场影响对比分析

5.6本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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