水力機(jī)械流激振動(dòng)機(jī)理及數(shù)值模擬方法研究

隨著機(jī)組單機(jī)容量的提高和建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，電站或泵站等水利工程的振動(dòng)問(wèn)題日益突出，超出一定范圍的振動(dòng)會(huì)直接影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在現(xiàn)有大型機(jī)組普遍存在水力振動(dòng)的情況下，振動(dòng)機(jī)理的描述和結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值模擬成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。.本文在前人工作的基礎(chǔ)上，在有限元框架內(nèi)建立原型水力機(jī)械全流道三維非定常湍流數(shù)值模擬方法，采用先進(jìn)的滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬旋轉(zhuǎn)水力機(jī)械中的動(dòng)靜干擾，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的串行和并行計(jì)算程序，研究和預(yù)測(cè)過(guò)流時(shí)的脈動(dòng)壓力。在流體和固體交界面上尋求合適的耦合條件模擬流體和固體之間能量的傳遞，建立考慮三維非定常湍流與固體相互作用的數(shù)值分析方法，編制相應(yīng)計(jì)算程序，分析引起水力機(jī)械振動(dòng)的原因和流激振動(dòng)問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理。運(yùn)用FORTRAN95模塊化計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和并行計(jì)算技術(shù)，在一個(gè)源代碼中一次計(jì)算實(shí)現(xiàn)考慮三維湍流流固耦合的水力機(jī)械及廠房結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)響應(yīng)分析計(jì)算。 2100433B

主要的研究方法有三種：

實(shí)驗(yàn)方法

瀉渦脫落引發(fā)的渦激振動(dòng)是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合，相互作用的復(fù)雜過(guò)程。需要具有一套完整物理實(shí)驗(yàn)方案和精密的實(shí)驗(yàn)儀器可以把所有的渦激振動(dòng)相關(guān)機(jī)型同步觀測(cè)，以測(cè)定其聯(lián)合效應(yīng)。物理實(shí)驗(yàn)往往很難同時(shí)提供流體的瞬時(shí)變化數(shù)據(jù)。

數(shù)值方法

振動(dòng)問(wèn)題。對(duì)于數(shù)值模擬方法，按照所使用湍流模型的不同，可以將渦激振動(dòng)的數(shù)值模擬方法分為:直接數(shù)值模擬方法，雷諾平均N-S方程法，大渦模擬法，渦元法，還有基于上述各種方法的綜合。按照模擬方式的不同又可以分為基于彈性支撐的剛體二維模擬，基于彈性體二維渦元模擬和三維結(jié)構(gòu)插值積分的離散渦元法模擬，以及對(duì)于彈性體完全使用三維模型的全流域模擬等等

半經(jīng)驗(yàn)公式

半經(jīng)驗(yàn)公式主要有尾流陣子，單自由度模型，流體力組分模型。

流固耦合數(shù)值計(jì)算軟件

Ansys CFX

Fluent Abaqus

Adina

COMSOL Multiphysics(FEMLAB)

大跨橋梁風(fēng)致大幅振動(dòng)可誘發(fā)明顯高階自激力，進(jìn)而反饋影響氣動(dòng)穩(wěn)定性。以往大幅簡(jiǎn)諧、單自由度、強(qiáng)迫振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)方法，難以真實(shí)模擬模態(tài)耦合效應(yīng)和高階自激力對(duì)振動(dòng)反饋效應(yīng)。本課題提出可實(shí)現(xiàn)大幅、非簡(jiǎn)諧、耦合、強(qiáng)迫振動(dòng)數(shù)值模擬方法；發(fā)展計(jì)入自激反饋效應(yīng)、分析顫振(馳振)后狀態(tài)的自由振動(dòng)數(shù)值模擬方法；研發(fā)可實(shí)現(xiàn)大幅自由振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)的新型裝置；提出高階氣動(dòng)參數(shù)的實(shí)用識(shí)別方法。采用新提出、發(fā)展的數(shù)值模擬方法及風(fēng)洞試驗(yàn)裝置，全面研究典型橋梁二維節(jié)段模型和三維氣彈模型在不同振幅、折算風(fēng)速、平均攻角、模態(tài)參數(shù)等條件下高階自激力、非線性氣動(dòng)參數(shù)和顫振(馳振)后狀態(tài)特性。融合數(shù)值模擬及風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)、空間振動(dòng)信息，研究高階自激力主要影響因素，揭示其對(duì)顫振(馳振)的作用機(jī)制。最終在橋梁高階自激力的數(shù)值模擬技術(shù)、風(fēng)洞試驗(yàn)方法、非線性氣動(dòng)參數(shù)識(shí)別理論、顫振(馳振)后狀態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法等方面取得突破。

在許多工程領(lǐng)域都存在圓柱泄渦誘發(fā)的渦激振動(dòng)疲勞破壞引起的安全問(wèn)題，最有效的方法是控制柱體尾渦和抑制渦激振動(dòng)。傳統(tǒng)的控制方法大多不能適應(yīng)流向變化的影響。本課題提出自主的仿魚(yú)尾和組合式飄帶兩類(lèi)流動(dòng)適應(yīng)性柔性結(jié)構(gòu)控制圓柱尾渦及渦激振動(dòng)。主要研究?jī)?nèi)容包括：建立模型關(guān)鍵性參數(shù)，設(shè)計(jì)并制作各種柔性結(jié)構(gòu)新模型；利用自我發(fā)展的高精度數(shù)值模擬方法對(duì)固定圓柱下尾渦控制進(jìn)行數(shù)值模擬；設(shè)計(jì)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)驗(yàn)研究固定和振動(dòng)狀態(tài)下圓柱的尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；設(shè)計(jì)典型水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、?shí)驗(yàn)研究振動(dòng)狀態(tài)下圓柱尾渦及渦激振動(dòng)控制機(jī)理；深入分析計(jì)算和實(shí)驗(yàn)中的機(jī)理，探索高效的新型結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵性參數(shù)的適應(yīng)范圍，為尾渦及渦激振動(dòng)控制提供新的技術(shù)路線，也為海洋、土木、橋梁、動(dòng)力、能源等領(lǐng)域相關(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、使用和安全保障提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐，其成果在許多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。