基于動邊界LES的離心泵非穩(wěn)定流固耦合及振動特性研究結(jié)題摘要

非穩(wěn)定的流固耦合作用易導(dǎo)致泵的強烈振動，影響泵機組安全穩(wěn)定運行。本項目對離心泵偏工況運行區(qū)域全流道內(nèi)部復(fù)雜流動進行了精確的DES（LES/RANS混合湍流模型）數(shù)值模擬，采用統(tǒng)計法和快速傅立葉變換方法全面地分析了由動靜干涉引起的壓力脈動特性，獲得了壓力脈動強度分布特性和壓力脈動頻域特性，掌握了不穩(wěn)定流動激勵頻率特性。建立了動邊界法的非穩(wěn)定流固強耦合預(yù)測方法，研究了離心泵極端工況下的流固耦合作用，獲得了離心泵在啟動過程的高溫高壓動力學特性，同時也建立了在有無空化條件下的離心泵流固強耦合高精度、高可靠性數(shù)值預(yù)測方法，獲得了泵內(nèi)非定常流固耦合作用下內(nèi)流與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)特性。搭建了離心泵外特性、壓力脈動和振動測量的開式試驗臺，應(yīng)用動態(tài)壓力傳感器、加速度傳感器采集離心泵不穩(wěn)定流動狀態(tài)及空化發(fā)展過程中泵進出口處壓力脈動信號和蝸殼壁面上的不同測點振動信號，揭示了離心泵不穩(wěn)定流動作用下的非定常流固耦合機理。對比分析了水力部件不同結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)與結(jié)構(gòu)變形之間的關(guān)系，為有效地控制離心泵偏工況非穩(wěn)定流固耦合振動提供了解決方法。本項目的研究對離心泵非穩(wěn)定流動的流固耦合數(shù)值模擬和實驗研究，準確獲得泵內(nèi)部壓力脈動和流體結(jié)構(gòu)的流固耦合特性，具有重要的理論與學術(shù)價值，同時在工程應(yīng)用領(lǐng)域具有借鑒意義。 發(fā)表項目號標注論文23篇，其中SCI論文檢索13篇，EI論文檢索7篇。出版學術(shù)專著2本。申請發(fā)明專利19項，其中發(fā)明專利授權(quán)14項，發(fā)明專利受理5項。申請軟件著作權(quán)1件。獲省部級科技進步二等獎4項，三等獎2項，獲鎮(zhèn)江市政府論文專著特等獎，獲亞洲流體機械青年科學家獎。舉辦國際學術(shù)會議3次，參會人數(shù)超過1000人。受邀國際學術(shù)會議大會報告2次，國內(nèi)學術(shù)會議大會報告1次。參加國際學術(shù)會議12人次。培養(yǎng)博士研究生7名，畢業(yè)4名，在讀3名，培養(yǎng)碩士研究生12名，畢業(yè)8名，在讀4名。超額完成項目指標。

離心泵在非設(shè)計工況運行時，內(nèi)部流動呈現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定性，非穩(wěn)定的流固耦合作用將導(dǎo)致泵的強烈振動，是影響泵機組安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵科學問題。由于流固耦合多學科交叉的復(fù)雜性，對離心泵偏工況不穩(wěn)定流動作用下流固耦合機制的認識尚屬空白。本項目將基于動邊界LES方法對離心泵非穩(wěn)定流固耦合及振動特性開展研究。采用LES方法對離心泵偏工況不穩(wěn)定流場進行精確數(shù)值模擬，揭示流態(tài)及壓力脈動特性，掌握不穩(wěn)定流動激勵頻率特性；建立動邊界LES非穩(wěn)定流固強耦合預(yù)測模型，解決耦合計算的精度、穩(wěn)定性、收斂性及計算效率等瓶頸問題；采用電渦量振動測量系統(tǒng)開展水力振動試驗研究，實現(xiàn)對LES層面流固耦合計算的驗證；采用基于小波變換的時頻域聯(lián)合分析，揭示非穩(wěn)定流固耦合規(guī)律及振動特性；研究水力部件主要幾何參數(shù)與流固耦合作用間的關(guān)系，初步提出離心泵偏工況非穩(wěn)定流固耦合振動控制方法。本項目對提高離心泵運行穩(wěn)定性具有重要的學術(shù)和工程價值。

本項研究將利用分析、數(shù)值以及實驗測量等方法研究耦合熱邊界層從定常層流向非定常周期性流動的演化以及相應(yīng)的傳熱。主要研究內(nèi)容為：基于完成不同控制參數(shù)下的實驗和數(shù)值模擬，分析和認識瞬態(tài)耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的基本流動結(jié)構(gòu)；理解耦合熱邊界層不穩(wěn)定流動形成機制以及垂直壁兩側(cè)不穩(wěn)定流動的相互作用；研究耦合熱邊界層從定常層流到非定常周期性流動演化對控制參數(shù)的依賴，以期獲得臨界瑞利數(shù)與其它控制參數(shù)的定量關(guān)系；研究耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的傳熱對流動控制參數(shù)的依賴關(guān)系。本項研究獲得的成果可以補充和擴展流動耦合效應(yīng)方面的流體力學知識和概念，并可進一步應(yīng)用到實際工業(yè)儀器設(shè)備的設(shè)計中，為其提供設(shè)計思路。

控制壁面?zhèn)鳠嵝适窃S多工業(yè)設(shè)備和工程實踐的一項關(guān)鍵技術(shù)，而國內(nèi)外學術(shù)界對壁面兩側(cè)耦合熱流動等重要工程問題的研究依然薄弱。本項基金利用尺度分析，直接數(shù)值模擬以及實驗測量等方法開展了壁面一側(cè)和兩側(cè)耦合流動的研究。在該項基金的實施過程中，已在控制參數(shù)對熱邊界層對流以及傳熱影響研究上取得若干實質(zhì)進展。研究結(jié)果表明兩側(cè)耦合熱邊界層流動可從定常向非定常演化，且該演化過程與瑞利數(shù)和普朗特數(shù)等控制參數(shù)有關(guān)，得到了主要的流動和傳熱的定量依賴關(guān)系式。此外，也獲得了復(fù)雜幾何形狀壁面的一側(cè)熱對流的流動和傳熱的定量刻畫。以上的研究成果可補充現(xiàn)有流體力學知識的缺失，也為進一步的工程設(shè)計提供基礎(chǔ)性設(shè)計思路。研究成果的一部分已分別在國內(nèi)外重要的學術(shù)會議上進行了交流，并已發(fā)表多篇高水平期刊研究論文（10篇SCI和4篇EI期刊論文，見研究成果）。 現(xiàn)有的研究進展表明該項基金的研究目標和任務(wù)已順利完成。

微懸臂梁傳感器在流體中振動時會產(chǎn)生流固耦合振動現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：其諧振頻率受流體影響強烈，且影響程度無法用經(jīng)典振動理論解釋，并表現(xiàn)出 “尺度效應(yīng)”。這一現(xiàn)象給以微懸臂梁傳感器為工具的定量研究帶來了較大困難。本項目以沉浸于流體環(huán)境中的薄板型微懸臂梁傳感器為研究對象, 建立了考慮“尺度效應(yīng)”的微懸臂梁傳感器二維流固耦合理論模型，提出了基于等效參數(shù)提取的簡化數(shù)值求解方法，并通過實驗論證了理論模型的有效性和準確性，同時分析了諧振頻率與粘性流體之間的關(guān)系及其 “尺度效應(yīng)”。研究表明作為影響浸于流體環(huán)境中的微懸臂梁頻率響應(yīng)特性的主要因素，流固耦合作用將使微懸臂梁振動各階模態(tài)諧振頻率值及振動幅值顯著降低，且隨著微懸臂梁厚度的減小或長寬比的增大，這種影響的程度將隨之增強，同時在尺寸效應(yīng)及邊界滑移條件的影響下，流固耦合作用對微懸臂梁頻率響應(yīng)的影響將出現(xiàn)一定程度的減弱。 2100433B