一種水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，屬于水力機械及其系統(tǒng)耦合模擬【技術(shù)領(lǐng)域】。利用設(shè)計工況流量作為流體計算的進(jìn)口邊界條件，求得導(dǎo)葉初始設(shè)計構(gòu)型下的穩(wěn)態(tài)流場作為流場初值條件；在一個時間步內(nèi)交替調(diào)用結(jié)構(gòu)計算模塊和流體計算模塊，滿足收斂條件后，流體和結(jié)構(gòu)計算整體同步向前推進(jìn)；通過界面信息交換模塊傳遞流固邊界信息；輸出時間歷程上的結(jié)構(gòu)振動位移。本發(fā)明實現(xiàn)導(dǎo)葉與流場的耦合計算，該方法準(zhǔn)確性較以往單純的結(jié)構(gòu)動力學(xué)方法和單向耦合方法有了顯著的提高，而且能夠觀察整個導(dǎo)葉振動發(fā)展過程，有利于更好地指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計，使流固耦合從理論研究走上實際工程應(yīng)用。
【專利說明】一種水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，屬于水力機械及其系統(tǒng)耦合模擬【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]機組振動和葉片裂紋問題已成為水電站急需解決的關(guān)鍵性技術(shù)難題，但水輪機水力振動的機理很復(fù)雜，難點多，牽涉多門學(xué)科，如葉片后卡門渦列引起的水力擾動，汽蝕脫流引起的水彈性振動以及尾水管內(nèi)的空腔渦帶誘發(fā)的振動等，這些都是極為棘手的問題，也是引起水輪機振動的主要原因，多年來一直受到學(xué)術(shù)界和工程界的極大關(guān)注。然而，由于問題的復(fù)雜性，迄今為止都沒有得到令人滿意的結(jié)果。
[0003]而傳統(tǒng)的葉片振動分析方法存在一些明顯的不足:比如，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析方法將流場跟導(dǎo)葉變形孤立起來，忽略了導(dǎo)葉自身變形對流場的影響，同時引入了大量線性化假設(shè)，弱化甚至消除了非線性，大大降低了模擬精度。即使近年來也有少量開始使用交錯的雙向耦合技術(shù)，也未保證耦合界面信息交換時能量守恒，同時在時間推進(jìn)上，流體跟結(jié)構(gòu)計算不同步，帶來非物理上的耗散。
[0004]事實上，水輪機導(dǎo)水機構(gòu)翼型葉片、轉(zhuǎn)輪葉片作為透平機械的核心部件，其水力振動也是典型的流固耦合振動。以往單一的流場計算或單一的結(jié)構(gòu)計算對機組效率、空化預(yù)測或?qū)Y(jié)構(gòu)設(shè)計雖起到了指導(dǎo)性作用，但對研究水力振動，葉片裂紋成因等現(xiàn)象無能為力，因此采用流固耦合計算的方法，來研究這一類復(fù)雜湍流與大型薄壁結(jié)構(gòu)之間的耦合振動勢在必行，也是極具挑戰(zhàn)性的課題之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]水輪機活動導(dǎo)葉作為水力發(fā)電機組重要的導(dǎo)流機構(gòu)，其振動特性不僅直接影響機組的調(diào)節(jié)效率，同時會對流體產(chǎn)生擾動，擾動流場可進(jìn)一步誘發(fā)下游轉(zhuǎn)輪葉片的激振，導(dǎo)致機組葉片開裂，影響機組的安全運行。因此對水輪機活動導(dǎo)葉振動特性的準(zhǔn)確預(yù)測是確保水力發(fā)電機組安全穩(wěn)定運行的重要前提條件之一。本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)計算導(dǎo)葉振動特性數(shù)值模擬方法的不足，提出一種基于同步迭代強耦合技術(shù)的水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，一是保證耦合界面流體與固體之間能量交換的守恒，二是保證流體和結(jié)構(gòu)計算在時間上同步推進(jìn)，消除時間滯后帶來的計算誤差，使之能更準(zhǔn)確預(yù)測導(dǎo)葉的流固耦合振動行為。
[0006]本發(fā)明提出一種基于同步迭代強耦合技術(shù)的水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，通過在計算機上采用數(shù)值計算技術(shù)對水輪機活動導(dǎo)葉耦合振動特性進(jìn)行預(yù)測，該方法
是通過同步雙向模塊反復(fù)交替調(diào)用結(jié)構(gòu)計算模塊和流體計算模塊，同時采用界面信息交換模塊在結(jié)構(gòu)計算模塊和流體計算模塊之間傳遞耦合界面數(shù)據(jù)，通過在一個時間步內(nèi)流體與結(jié)構(gòu)雙向的交互作用，并滿足收斂條件后，在時間上同步推進(jìn)整個由導(dǎo)葉及其周圍流場組成的流固耦合系統(tǒng)。具體包含以下步驟:步驟一:非穩(wěn)態(tài)流場初值計算:對水輪機活動導(dǎo)葉初始構(gòu)型建立流場計算網(wǎng)格，根據(jù)設(shè)定的流場計算邊界條件，通過流體計算模塊對導(dǎo)葉初始構(gòu)型下的周圍流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，計算結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)流場計算初值條件；
所述流場邊界條件包括與固體接觸面的速度都設(shè)為零的無滑移無滲透壁面邊界條件、設(shè)計工況流量(流速)作為計算域進(jìn)口邊界條件、出口采用的自由出流邊界條件。
[0007]步驟二:同步雙向迭代:
(1)啟動非穩(wěn)態(tài)流體計算模塊，通過界面信息交換模塊將耦合界面流體側(cè)單元應(yīng)力值轉(zhuǎn)換為耦合界面結(jié)構(gòu)側(cè)有限單元上的節(jié)點力；
(2)啟動結(jié)構(gòu)(動力學(xué))計算模塊，獲取結(jié)構(gòu)新的變形(位移);結(jié)構(gòu)(動力學(xué))計算模塊的啟動是用于求解三維動力學(xué)方程，獲得葉片的瞬態(tài)位移，包括如下步驟:
2.1記錄界面結(jié)構(gòu)側(cè)有限單元上的節(jié)點力和結(jié)構(gòu)有限元節(jié)點和單元信息以及約束信息，將界面結(jié)構(gòu)側(cè)有限單元上的節(jié)點力和結(jié)構(gòu)有限元節(jié)點和單元信息以及約束信息存放在輸入文件中；
2.2求解三維結(jié)構(gòu)動力方程:
【權(quán)利要求】
1.一種水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，其特征在于具體步驟包括: 步驟一:非穩(wěn)態(tài)流場初值計算:根據(jù)設(shè)定的流場計算邊界條件，通過流體計算模塊對導(dǎo)葉初始構(gòu)型下的周圍流場進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計算，計算結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)流暢計算初值條件；步驟二:同步雙向迭代: (1)通過界面信息交換模塊將耦合界面流體側(cè)的流體應(yīng)力轉(zhuǎn)換為耦合界面結(jié)構(gòu)側(cè)有限單元上的節(jié)點力； (2)通過結(jié)構(gòu)計算模塊獲取結(jié)構(gòu)新的位移: .2.1記錄耦合界面結(jié)構(gòu)側(cè)有限單元上的節(jié)點力、結(jié)構(gòu)有限元節(jié)點和單元信息以及約束信息； .2.2求解三維結(jié)構(gòu)動力方程:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，其特征在于:所述流場計算邊界條件包括無滑移無滲透壁面邊界條件、計算域進(jìn)口邊界條件和自由出流邊界條件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，其特征在于:所述流體計算模塊除包括通用的流體計算功能模塊外，還包括兩個獨立子模塊，一個子模塊是流體內(nèi)部網(wǎng)格更新子模塊，在得知流體域邊界節(jié)點運動后，實現(xiàn)流體域內(nèi)部網(wǎng)格節(jié)點的更新；另一個子模塊是流體應(yīng)力提取子模塊，增加通用流體計算軟件的二次借口，從后臺直接調(diào)流體計算軟件獲得每個時間步的三維非定常流場，計算結(jié)束后提取耦合界面流體側(cè)單元的流體應(yīng)力值。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，其特征在于:所述時間步是指把物理上連續(xù)的時間分割成有限時間段，每一時間段即為一個時間步。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，其特征在于:所述界面信息交換模塊包括兩個子模塊，一是變形傳遞子模塊，該子模塊將耦合面上結(jié)構(gòu)側(cè)節(jié)點位移轉(zhuǎn)換為耦合面上流體側(cè)單元的位移，以實現(xiàn)流體域邊界運動；二是是荷載傳遞子模塊，將導(dǎo)葉耦合面上流體側(cè)流體單元應(yīng)力轉(zhuǎn)換為導(dǎo)葉耦合面上結(jié)構(gòu)側(cè)有限元節(jié)點的節(jié)點力。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水輪機活動導(dǎo)葉振動特性預(yù)測方法，其特征在于:所述步驟(5)中的收斂條件是指在該時間步內(nèi)，上一迭代步求出的結(jié)構(gòu)位移與下一步迭代步求出的結(jié)構(gòu)位移差值的模除以下一步求出的結(jié)構(gòu)位移值的模小于10_4，則認(rèn)為滿足收斂條件，停止該時間步內(nèi)的迭代，轉(zhuǎn)到下一時間步繼續(xù)進(jìn)行計算。
【文檔編號】G06F17/50GK103853884SQ201410061188
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年2月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月24日
【發(fā)明者】王文全, 閆妍, 張立翔, 曾云, 李金海, 李澤, 楊錫階, 郭濤 申請人:昆明理工大學(xué)