混流式水轮机转轮叶片流固耦合振动特性分析

考虑水体的压缩性，用有限元法的位移一压力格式及Galerkin法对混流式水轮机转轮叶片一流体组成的流固耦合系统进行离散，建立了流固耦合系统的振动控制方程，在此基础上对转轮及单个叶片的耦合模态进行了计算，详细分析了转轮及叶片在水中的动力特性，发现叶片在流固耦合情况下的一些新的特性。     

新型冷却塔用水轮机流固耦合计算与分析

为研究一种新型冷却塔用水轮机结构的稳定性,通过双向流固耦合计算,分析水轮机桨叶在稳定运行时的应力变化及变形,揭示了固体叶轮应力分布与水体压力分布的规律。结果表明,该水轮机的转轮叶片应力分布均匀,且叶片的总变形主要发生在叶片出水边侧;叶片动应力主频、变形主频与叶片通过频率相吻合,可知叶轮结构的动静干涉引起的波动是造成叶片动应力波动及总变形变化的主要原因之一。     

网格划分对轴流式水轮机数值计算结果的影响

针对网格划分优劣直接影响数值计算的精度和速度,讨论了适合水轮机计算网格的类型,采用不同的网格尺度对某轴流式水轮机两个标称直径的模型转轮进行7个工况全流道内的数值模拟,分析了网格节点数与水轮机的计算效率及计算时间的关系,并给出了在一定的计算资源和不同工况条件下适合于轴流式水轮机水力模型数值计算采用的网格尺度.可供其他不同转轮直径的轴流式水轮机模型进行相似换算借鉴.     

基于流固耦合的混流式转轮受力与振动特性分析

围绕转轮结构稳定与机组安全运行问题,基于流固耦合理论,对混流式水轮机进行流场仿真与转轮结构响应求解。首先,将流道水压作为荷载进行静力学计算,校核转轮强度,并获取不同工况下应力与变形分布;然后,开展瞬态计算,探究转轮动应力随时间的变化规律;最后,通过预应力模态计算获得多阶振频与振型,分析水力共振的可能性。结果表明,受力符合材料强度要求,应力集中在转轮叶片出口边,随着功率增大应力峰值位置从轮毂交接处向下环交接处发展,交变应力的波动周期与运转周期一致。流道内压力脉动中2倍叶频引发的共振对转轮体现为摆动、挤压、扭转型,3倍叶频激发转轮产生6阶及以上共振,对叶片破坏作用最大,导叶与转轮动静干涉诱发转轮共振可能性低。     

叶片材料及根部结构对潮流能水轮机性能的影响

转轮叶片材料及根部结构对潮流能水轮机水力性能和结构性能有较大影响。文章基于CFD方法对转轮直径为2 m,3种叶片根部方案的潮流能水轮机在不同来流速度工况下的水力性能进行了稳态数值模拟,计算结果表明,当来流速度为4 m/s,采用根部方案2时,机组达到最高效率73.39%。在此基础上,利用单向流固耦合的方法计算分析了该根部方案下采用4种不同材料转轮叶片的结构性能,分析结果表明,叶片采用结构钢、碳纤维HexMC和碳纤维RTP-1389时,最大应力均为130 MPa,未超过许可应力强度,结构钢最大总形变为6.55 mm,玻璃纤维最大总形变为104.72 mm。     

某电站灯泡贯流式水轮机转轮优化研究

某电站水轮机转轮由于叶片应力过大而经常产生裂纹，严重威胁机组安全运行，为解决该电站水轮机转轮叶片应力过大的问题，以该电站灯泡贯流式水轮机为例，基于RNGκ-ε湍流模型，对水轮机各个部件进行建模、网格划分，通过对转轮叶片的加厚与修角优化处理，利用CFD技术对优化前后转轮水力性能及刚强度进行对比分析。结果表明，优化后转轮叶片应力与变形得到较大改善，符合工程实际需要，可有效避免转轮裂纹的产生。     

一种新型潮汐能水轮机的性能分析

文章基于CFD和模型实验的方法为国内某工程开发了一种转轮直径为0.8 m的新型超低水头潮汐能水轮机。利用数值模拟的方法对海工及机组模型进行1∶1的建模,并根据当地潮差数据确定计算工况点。对比分析了水轮机的内特性和5种不同叶片安放角下水轮机的出力和效率,确定了不同潮差对应的机组进出口水头。在此基础上,利用数值模拟确定的机组进出、口水头进行转轮直径为0.4 m的模型实验,对比分析了5种叶片安放角下模型的出力和效率,并对叶片安放角为28°的模型实验数据和数值模拟数据进行了对比,发现两者的数据比较接近,由此验证了数值模拟的可靠性。     

混流式水轮机叶道涡工况下转轮的流动特性分析

为了探究叶道涡工况下混流式水轮机转轮的流动特性,以某长短叶片混流式水轮机为例,选取出现叶道涡的小流量工况,基于N-S方程及RNG_(κ-ε)湍流模型对水轮机进行全流道定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动对转轮内部流动的影响。结果表明,在叶道涡工况下,由于导叶出流角的减小,导致转轮叶片头部与来流发生撞击,使流道中的湍流、漩涡现象发展更加剧烈,加强了叶片压力的不均匀分布;容易产生裂纹的叶片危险部位的压力脉动频率等于转轮频率与叶片数的乘积;分布于转轮叶片靠近上冠处的叶道涡对转轮的流动影响较大,导致此处的压力脉动的频率高、振幅大,因此易产生局部的高频应力,致使转轮在该位置产生周期性的疲劳破坏。     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮裂纹改造分析

为了解光照电厂转轮裂纹的改造效果,借助ANSYS有限元计算平台,利用流固耦合方法分析转轮改造前后在不同水头、负荷下的流场及动、静应力。计算结果表明,转轮在叶片出口边中部有较大变形,应力集中点在叶片出口边靠近上冠与下环处,与现场发现的裂纹位置相同,说明应力集中是裂纹出现的原因之一。转轮上冠、下环与叶片出水边连接处加装三角块对转轮的水力性能影响可忽略;而转轮最大应力降幅均超过20%,最大应力位置从连接处转移至三角块处,可有效改善转轮裂纹情况。     

间隙模拟技术在贯流水轮机数值分析中的应用

介绍了间隙模拟技术,应用间隙模拟技术模拟桨叶轮缘与轮毂间隙的实际形状,并对贯流式水轮机桨叶间隙流动进行了模拟数值计算.以某电站为例,对电站转轮水力性能进行了数值计算和分析.与实况比较表明,间隙模拟技术能有效模拟内流道流动,并能准确计算协联工况点.     

考虑缝隙流模型的贯流式水轮机转轮内部三维流动

采用贯流式水轮机转轮内CFD分析软件，对设计工况下转轮内部的三维紊流场进行了数值模拟，并增加了缝隙流的流动模型：基于N－S方程和K－ε紊流模型，应用贴体座标和交错网格系统，用SIMPLEC算法对贯流式水轮机转轮内部的紊流进行数值模拟，得出其内部流场，压力场的分布情况及其水力效率和考虑缝隙的容积效率，最后将计算结果用Tecplot7进行处理，分别用矢量图和等值线表示其内部的流动状态和压力分布，并将普通模型和缝隙流模型分析，比较得出结论。     

三种κ-ε模型模拟混流式水轮机转轮叶片湍流场差异性比较

为比较Standardκ-ε模型、RNGκ-ε模型、Realizableκ-ε模型用于水轮机数值模拟时的异同,采用三种κ-ε模型对不同工况下带有副叶片的混流式水轮机转轮进行了三维定常湍流数值模拟,流场求解使用分离式解法,压力场求解使用SIMPLEC算法。结果表明,三种κ-ε模型用于水轮机的数值模拟具有一定的准确性和适用性,在相同模拟条件下都可得出与实际流态大致吻合的结果,但在计算量、捕捉流动细节及计算精度等方面存在差异,可为水轮机数值模拟研究中κ-ε模型的选择提供参考和依据。     

一种新型斜击式水轮机的开发与性能分析研究

提出了一种新型的斜击式水轮机的结构,并完成了总体结构布置设计。在结构上增加了喷嘴数目,提高了斜击式水轮机的出力与比转速,同时由于喷嘴数的增加又会引起转轮内部流动的相互干涉,降低机组效率,因此本研究采用CFD技术对双喷嘴斜击式水轮机转轮内部流动进行数值模拟,通过斗叶与喷嘴之间的相互流动计算结果分析,优化得出转轮斗叶数以及双喷嘴斜击式水轮机转轮的最佳斗叶木模型线,得到斗叶接受射流全过程的速度、压力分布以及水流迹线,两个喷嘴同时作用时转轮内部流动的干涉情况。为这种新型的斜击式水轮机的推广应用,电站运行提供了参考依据。     

考虑流固耦合效应的水下隧道开挖工序模拟

采用FLAC3D数值方法并考虑流固耦合效应对静水平面17 m下隧道施工进行数值模拟,比较分析了不同工法开挖的围岩渗流、位移、应力及塑性区的变化。计算结果表明,CD法需注重隧道拱部预注浆堵水加固,台阶法需加强全断面预注浆堵水加固;考虑流固耦合影响后,隧洞围岩压力相对减小30%;且不同工法开挖〖JP2〗情况下,流固耦合效应对隧道支护结构的扁平效应影响不同;拱顶与拱脚是水下隧道施工应重点关注的部位。     

基于CFD和FEM的混流式水轮机数值模拟研究

摘要： 根据标准k-ε双方程和雷诺时均（N-S）方程,给定转轮边界条件,建立混流式水轮机内部流动的数学模型。利用CFD技术分析水轮机内部、活动导叶和固定导叶速度分布,叶片压力分布等流动参数;采用FEM刚强度分析转轮叶片应力和变形量,复核叶片的结构设计和材料。基于CFD和FEM数值模拟技术,对水轮机选型、优化设计均具有一定的指导意义。     

A696转轮内部流场的数值模拟与分析

基于雷诺时均N-S方程、RNGκ-ε湍流模型和SIMPLE算法,采用FLUENT软件对A696混流式水轮机转轮进行了三维定常湍流数值模拟,获得了不同工况下的转轮内部流场的速度矢量、压力及流线分布规律,分析了转轮内的流动状态,对预测混流式水轮机转轮性能具有一定的参考价值。     

风力机叶片及塔架流固耦合分析

采用ANSYS Workbench软件,对国内某200 kW水平轴风力机流场进行数值模拟,计算出风力机叶片表面的压力分布和旋转域速度分布。通过对X方向不同截面总压、湍动能和涡粘性分布情况进行分析,得到了风力机下风向上述3个物理量的变化规律。将风力机流场的计算结果施加到固体计算中,进行风力机叶片和塔架整体的流固耦合模拟计算,分析得出风力机叶片、塔架应力和变形量的分布情况。最后进行模态分析,得到其前十阶振动频率和振型,为风力机安全运行和叶片的优化设计提供参考。     

基于流固耦合的离心风机叶轮动力特性分析

采用数值计算软件CFX和Ansys对离心风机叶轮进行了流固耦合模拟研究,对叶轮的强度、模态和振动特性进行了计算和分析.结果表明:考虑流固耦合作用后,风机的气动性能几乎没有变化,但是叶轮最大总变形量减小2.5％,最大等效应力增大3.6％;考虑预应力效应后,叶轮的固有频率提高,且不同阶次条件下的提高幅度不同;在稳定运行工况下,叶轮周围气流压力的主要脉动频率与叶片通过频率相同;叶轮的固有频率部分落入局部共振区域,该区域的等效应力远小于叶轮材料的疲劳极限,不会导致叶轮疲劳破坏.     

超低比转速混流式水轮机转轮的水力设计与数值模拟

为实现冷却塔富余能量的回收,需要开发出一种新型超低比转速水轮机与风机直接匹配.采用二元理论,从相对导叶高度(H/D)、转轮流道、叶片环量、叶片数等方面进行开发设计.然后基于N-S方程和κ-ε紊流模型采用FLUENT对新型水轮机转轮进行数值模拟,分析研究了转轮的流动、汽蚀和能量性能.数值模拟结果表明:超低比转速水轮机内部流动性能良好,水轮机效率在较大的进口冲角范围内达80％以上.     

水泵水轮机启动过程转轮叶片受力分析

为了研究水泵水轮机水轮机工况启动过程转轮区域流态对叶片载荷的影响,以某水泵水轮机模型为研究对象,采用Realizable k-ε湍流模型开展水泵水轮机全流道三维数值计算,运用UDF技术和动网格方式,控制启动过渡过程活动导叶的开启过程,分析机组启动过程中转轮的转速变化,并与试验结果进行对比。结果表明：数值计算与试验结果吻合度较高,该文数值计算准确可行;启动过程中,在0~5 s区间,转轮叶道中间分布明显沿周向规律分布的叶道涡,叶道涡随开度的增加及转轮叶片来流条件的优化逐渐变小然后消失;启动过程来流与转轮叶片工作面发生冲击并在此区域形成高压区,导致叶片工作面进口位置压力载荷集中、相同半径处叶片工作面背面压力差较大。启动过程中转轮叶片来流与叶片工作面发生冲击是叶片压力载荷集中以及叶道涡的主要诱因。