基于流固耦合的混流式水轮机转轮振动特性分析

为防止水轮机转轮发生共振,导致叶片产生共振裂纹,需要对水轮机的固有频率进行计算,使转轮的固有频率避开外界的激振频率。本文基于流固耦合方法,将CFD软件CFX与有限元软件ANSYS Workbench相结合,对某水电站混流式水轮机转轮进行了有限元模态分析计算,分别计算了转轮在有无预应力情况下对于模态计算结果的影响,并分别考虑了转轮在空气中和在水介质中的固有频率和振型。结果表明,转轮在有预应力情况下各阶固有频率会有所提高,提高幅度在0.5%以内,可以忽略预应力的影响;转轮在水中的各阶固有频率比在空气中均有明显的降低,且各阶频率降低程度不同,下降系数的总体趋势是随着阶次的提高而逐渐减小的。     

基于流固耦合的水轮机振动的数值研究

该文研究应用ADINA软件采用任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler,ALE)法对一混流式水轮机转轮进行了流固耦合计算,得出了转轮在空气中和水中的频率和模态.通过计算表明在水压载荷和黏性载荷的作用下,水轮机的转轮频率存在一定程度的下降,模态发生了变化.并应用动态断裂力学预测了该转轮可能发生的裂纹破坏.     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮强度分析

对我国东北某大型混流式水轮机在设计水头不同工况的转轮强度进行了单向流固耦合计算,采用CFD软件CFX,计算得到各工况流场中叶片表面的水压力,借助ansys workbench平台,将其作为结构面载荷加载到叶片上,得到各工况下转轮的静应力分布及变形情况。研究结果表明:转轮静应力最大值随着流量的升高而增大,且均出现在叶片出水边连接上冠位置附近;转轮最大变形量随着流量的升高而增大,最大变形量出现在下环位置。研究结果为混流式水轮机结构设计及安全运行提供了有效依据。     

大型泵站的流固耦合振动分析

针对目前泵站和水电站动力时程分析中存在的不足,在有限元框架内建立泵站非定常湍流与结构相互作用的流固耦合模型,采用有限元格式对流体和结构进行离散,使用滑移网格技术实现流道内的动静干扰,并在流体和固体的交界面上采用合适的界面条件来实现流体和固体之间的能量传递。采用此方法对大型泵站单流道进行流固耦合振动分析,预测出结构各个部位的振动响应,为泵站工程抗振设计提供参考。     

考虑流固耦合的箱形倒虹吸动力特性研究

结合南水北调中线工程穿南沙河倒虹吸结构,建立了考虑流固耦合的箱型倒虹吸动力分析有限元模型,基于子空间法,对不同过水工况和地质条件下结构的动力特性进行了分析.结果表明:倒虹吸过水情况和地基土均匀性对结构自振频率和振型有显著影响;结构埋置深度对其自振特性有较为显著的影响,埋深越浅,前阶主频率越大,振型改变越明显;土层分布越均匀,土壤黏聚力越大,结构的自振频率越小,振动形态越稳定;可通过调整管体过水量和换填土层改善结构动力特性.     

探讨流固耦合分析方法

简要叙述了流同耦合问题及其常用的方法;讨论了干模态法、交叉迭代法及LS-DYNA有限元软件分析法,对流固耦合问题的分析有一定的参考价值.     

输流管道流固耦合振动研究进展

管道在众多的工业领域中具有十分广泛的应用，发挥着极其重要的作用，但管道在工作过程中由于流体流动状态的变化引起喘振，诱发出流体、管道间的耦合振动，其动力学行为十分复杂，一直受到学术界和工程界广大研究者的重视和研究。本文对该领域线性和非线性研究内容及进展作了综述和讨论。     

混流式水轮机转轮双向流固耦合力学特性研究

为了解运行过程中的水轮机叶片应力、应变和流场的分布状况及规律,以某高比转速混流式水轮机为例,采用双向流固耦合算法,对其转轮叶片的应力应变情况和内部流动特性进行了研究和计算分析。研究结果表明,在高转速小流量的工况下,叶片的最大变形出现在出水边的下部,出水边中部也出现了比较大的变形,叶片的进水边、出水边与上冠及出水边与下环的相连接处出现了集中应力;在其他工况下,叶片的最大变形出现在出水边的中部,集中应力出现在叶片出水边与上冠的相连接处。该水轮机在正常运行的情况下,转轮叶片的变形很小,对内部流场的影响不大。因此,如果只是对水轮机进行水力性能方面的分析,则没有必要进行双向流固耦合计算。     

基于流固耦合的某水电站进水塔参数的敏感性分析

为了探讨流固耦合算法与附加质量算法对于高耸进水塔的地震响应区别,以某水电站进水塔为例,研究塔间连接梁和塔背回填混凝土之间的参数敏感度,对塔间连接梁和塔背回填混凝土进行分析.结果表明:回填混凝土和塔间连接梁截面积二者的组合削弱了前两阶频率的差异,但并未对后5阶频率产生较大影响.     

基于流固耦合的混流式水轮机水力激振与疲劳寿命损伤研究

为研究水轮机投入生产后常常产生的裂纹以及疲劳失效问题,构建混流式水轮机HLA551 c-WJ-71几何模型并模拟流固耦合(FSI)中复杂的流体流动,对混流式水轮机额定工况运行过程中动态应力以及叶片形变进行分析,揭示流道内的动态应力与叶片疲劳失效之间的内在关系。结果表明：混流式水轮机额定工况运行时,叶片的最大Von Mises应力为60.2 MPa,远小于材料的极限应力,因此静应力不会导致叶片产生短期裂纹破坏;水轮机额定工况运行时叶片表面和尾水管的动应力最大为10⁷kPa,同样远小于材料的极限应力;叶片上冠处为叶片最高应力区域,且在叶片表面压力变动时,压力的变化幅值也较大,因此认定叶片上冠为叶片的疲劳危险区。研究结果有助于水轮机转轮的优化设计,提高对水轮机瞬态运行及疲劳失效的理解。     

基于流固耦合的风力机叶片结构稳定性分析

针对叶片在气动载荷下出现局部屈曲现象,建立了大型复合材料风力机叶片有限元壳体模型,主要研究了叶片结构在流场作用下的稳定性。基于流固耦合方法,借助CFD软件计算得到叶片表面的分布压力,将计算结果导入到叶片结构计算的有限元壳体模型,以此为载荷对叶片进行了屈曲分析。以1.5MW复合材料风力机叶片为例的计算结果表明:复合材料抗压性能较抗拉性能弱,叶片背风面受到压缩载荷,局部屈曲主要出现在叶片背风面,叶根向叶中发展的后缘区位于几何突变区,结构设计较为薄弱,需增加该区域铺层材料的厚度。     

Vibration analysis of hydropower house based on fluid-structure coupling numerical method

By using the shear stress transport(SST)model to predict the effect of random flow motion in a fluid zone,and using the Newmark method to solve the oscillation equations in a solid zone,a coupling model of the powerhouse and its tube water was developed.The effects of fluid-structure interaction are considered through the kinematic and dynamic conditions applied to the fluid-structure interfaces(FSI).Numerical simulation of turbulent flow through the whole flow passage of the powerhouse and concrete structure vibration analysis in the time domain were carried out with the model.Considering the effect of coupling the turbulence and the powerhouse structure,the time history response of both turbulent flows through the whole flow passage and powerhouse structure vibration were generated.Concrete structure vibration analysis shows that the displacement,velocity,and acceleration of the dynamo floor respond dramatically to pressure fluctuations in the flow passage.Furthermore,the spectrum analysis suggests that pressure fluctuation originating from the static and dynamic disturbances of hydraulic turbine blades in the flow passage is one of the most important vibration sources.     

U形渡槽流固耦合动力作用研究

为了研究强震下渡槽的流固耦合动力作用,本文首先用VOF模型验证了渡槽内水体响应的非线性,然后通过位移有限元方法建立了U形渡槽流固耦合模型,并根据地震作用的特点构造了一组Ricker子波,分别计算了刚、柔性槽体模型的动力时程响应。计算结果表明,渡槽流固耦合动力作用的强度主要受流体晃动频率、槽体自振频率两个因素控制,当外界激励的频率接近这两个频率时,渡槽的流固耦合动力作用将变得十分显著;当激励频率达到水体晃动频率的2倍时,水体主要运动方式将由表面晃动转变为整体惯性运动;地震作用下水体动力响应的非线性可以忽略。这些现象在渡槽抗震设计中应当引起足够的关注。     

流固耦合界面模型及其在水力机械动力学分析中的应用

为解决水力机械流固耦合计算中载荷传递的问题,提出了一种新的界面模型。该模型包括流场载荷输出、载荷转换和固体场载荷自动施加三部分。流场载荷输出算法通过输出控制仅输出耦合界面上的流场网格节点压力信息,可以缩短下一步搜索时间并节省存储空间;载荷转换方法基于局部网格信息,对每个固体点考虑其相邻的流场三角形网格,采用邻近点加权平均法得到固体点的载荷,并将载荷转换的信息放在映射矩阵;固体场载荷自动施加算法根据固体网格节点排列顺序确定压力载荷施加表面,并生成压力载荷施加的命令流文件。最后将该模型应用于双吸离心泵叶轮的流固耦合特性分析中,结果表明,载荷转换误差在1%以内,该方法能够高效、高精度地处理不同网格体系间的载荷传递。     

水轮机转轮叶片流固耦合水力振动分析

基于有限体积法的有限元,采用非结构网格对控制方程离散,时间上采用二阶后退欧拉法,固体采用非线性弹性瞬态模拟,流体为不可压缩黏性流体,进行双向交错迭代耦合模拟计算。计算得知最大网格位移大约出现在叶片测试点2的位置,从整个曲线变化趋势可以看出,在t=0.5s时,叶片上网格位移最大,也就是说叶片摆幅较大,这样就会导致整个转轮偏心,进而引起整个水轮机的振动。     

近海风机基础-塔架结构体系振动监测与动力响应分析

我国东部近海区域目前建设的风电场基本均采用桩基结构,桩基一塔架结构体系是典型的细长高耸结构,在复杂海洋环境载荷作用下具有明显的动力性质、随机性质和非线性性质。本文结合江苏响水近海试验风机长期的桩基础一塔架结构体系振动监测数据,分析了结构体系振动与风、浪等环境荷载的相关性,结果表明：振动加速度与风速均方差存在明显的相关关系,塔架顶部的振动加速度随均方差的增大而增加;建立模型进行了动力有限元计算分析,计算结果较好反映了响水近海试验风机不同工况的动力响应。研究成果具有一定的工程应用价值,可为海上风机基础设计提供参考。     

基于CT影像重建模型的主动脉夹层流固耦合模拟

主动脉夹层是血管内壁撕裂形成真假腔而形成的一种主动脉血管疾病。由于主动脉夹层假腔破裂风险高,发病凶险,致死率较高且难以抢救,故近年来关于该病的研究得到了广泛的重视。通过流固耦合模拟,研究血液与血管壁间的相互作用,为评估病变部位的破裂风险提供了一种可行的方法。该文介绍一种基于CT影像重建的主动脉夹层流固耦合模拟方法。在本文对一例Stanford B型主动脉夹层病例研究中,在血管厚度设定上采用了分区等厚度模型,并使用六面体单元对固体部分进行了网格划分。对于血管壁部分采用了线弹性本构关系。通过对计算得出的第一主应力、壁面切应力、流场等指标的分析,帮助评估主动脉夹层的破裂风险和预测破裂位置。     

基于多类模型耦合的城市洪水风险 分析技术研究

基于城市洪水的特点,提出了简化的城市排水模型,并与SCS水文模型和二维浅水动力模型相耦合,建立了城市洪水风险分析模型。该模型能够模拟城市外洪、内涝或二者的组合,并以蚌埠市为例,开展示范研究,计算结果与实际情况相符,证明了模型的适用性.     

基于流固耦合的风力机叶片刚强度分析

基于ANSYS Workbench平台,对某小型风力提水机进行单向流固耦合分析,将流场计算得到的叶片表面的风荷载加载到叶片上,再进行静应力有限元分析。对不同工况下的风轮进行分析对比,得到风轮应力和变形规律。结果表明,在额定风速8 m/s工况下,最大等效应力集中在叶根部位;风机叶片静应力随风速增大而增大,且最大应力小于许用应力,然而长期应力集中的状况容易导致疲劳破坏;风机整体最大变形出现在叶尖处,而轮毂与叶片连接处基本上没有发生变形,呈梯度分布。