一种水轮机活动导叶振动特性预测方法
【专利摘要】本发明涉及一种水轮机活动导叶振动特性预测方法，属于水力机械及其系统耦合模拟【技术领域】。利用设计工况流量作为流体计算的进口边界条件，求得导叶初始设计构型下的稳态流场作为流场初值条件；在一个时间步内交替调用结构计算模块和流体计算模块，满足收敛条件后，流体和结构计算整体同步向前推进；通过界面信息交换模块传递流固边界信息；输出时间历程上的结构振动位移。本发明实现导叶与流场的耦合计算，该方法准确性较以往单纯的结构动力学方法和单向耦合方法有了显著的提高，而且能够观察整个导叶振动发展过程，有利于更好地指导结构设计，使流固耦合从理论研究走上实际工程应用。
【专利说明】一种水轮机活动导叶振动特性预测方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种水轮机活动导叶振动特性预测方法，属于水力机械及其系统耦合模拟【技术领域】。
【背景技术】
[0002]机组振动和叶片裂纹问题已成为水电站急需解决的关键性技术难题，但水轮机水力振动的机理很复杂，难点多，牵涉多门学科，如叶片后卡门涡列引起的水力扰动，汽蚀脱流引起的水弹性振动以及尾水管内的空腔涡带诱发的振动等，这些都是极为棘手的问题，也是引起水轮机振动的主要原因，多年来一直受到学术界和工程界的极大关注。然而，由于问题的复杂性，迄今为止都没有得到令人满意的结果。
[0003]而传统的叶片振动分析方法存在一些明显的不足:比如，传统的结构动力学分析方法将流场跟导叶变形孤立起来，忽略了导叶自身变形对流场的影响，同时引入了大量线性化假设，弱化甚至消除了非线性，大大降低了模拟精度。即使近年来也有少量开始使用交错的双向耦合技术，也未保证耦合界面信息交换时能量守恒，同时在时间推进上，流体跟结构计算不同步，带来非物理上的耗散。
[0004]事实上，水轮机导水机构翼型叶片、转轮叶片作为透平机械的核心部件，其水力振动也是典型的流固耦合振动。以往单一的流场计算或单一的结构计算对机组效率、空化预测或对结构设计虽起到了指导性作用，但对研究水力振动，叶片裂纹成因等现象无能为力，因此采用流固耦合计算的方法，来研究这一类复杂湍流与大型薄壁结构之间的耦合振动势在必行，也是极具挑战性的课题之一。
【发明内容】
[0005]水轮机活动导叶作为水力发电机组重要的导流机构，其振动特性不仅直接影响机组的调节效率，同时会对流体产生扰动，扰动流场可进一步诱发下游转轮叶片的激振，导致机组叶片开裂，影响机组的安全运行。因此对水轮机活动导叶振动特性的准确预测是确保水力发电机组安全稳定运行的重要前提条件之一。本发明的目的是克服传统计算导叶振动特性数值模拟方法的不足，提出一种基于同步迭代强耦合技术的水轮机活动导叶振动特性预测方法，一是保证耦合界面流体与固体之间能量交换的守恒，二是保证流体和结构计算在时间上同步推进，消除时间滞后带来的计算误差，使之能更准确预测导叶的流固耦合振动行为。
[0006]本发明提出一种基于同步迭代强耦合技术的水轮机活动导叶振动特性预测方法，通过在计算机上采用数值计算技术对水轮机活动导叶耦合振动特性进行预测，该方法
是通过同步双向模块反复交替调用结构计算模块和流体计算模块，同时采用界面信息交换模块在结构计算模块和流体计算模块之间传递耦合界面数据，通过在一个时间步内流体与结构双向的交互作用，并满足收敛条件后，在时间上同步推进整个由导叶及其周围流场组成的流固耦合系统。具体包含以下步骤:步骤一:非稳态流场初值计算:对水轮机活动导叶初始构型建立流场计算网格，根据设定的流场计算边界条件，通过流体计算模块对导叶初始构型下的周围流场进行稳态计算，计算结果作为非稳态流场计算初值条件；
所述流场边界条件包括与固体接触面的速度都设为零的无滑移无渗透壁面边界条件、设计工况流量(流速)作为计算域进口边界条件、出口采用的自由出流边界条件。
[0007]步骤二:同步双向迭代:
(1)启动非稳态流体计算模块，通过界面信息交换模块将耦合界面流体侧单元应力值转换为耦合界面结构侧有限单元上的节点力；
(2)启动结构(动力学)计算模块，获取结构新的变形(位移);结构(动力学)计算模块的启动是用于求解三维动力学方程，获得叶片的瞬态位移，包括如下步骤:
2.1记录界面结构侧有限单元上的节点力和结构有限元节点和单元信息以及约束信息，将界面结构侧有限单元上的节点力和结构有限元节点和单元信息以及约束信息存放在输入文件中；
2.2求解三维结构动力方程:
【权利要求】
1.一种水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于具体步骤包括: 步骤一:非稳态流场初值计算:根据设定的流场计算边界条件，通过流体计算模块对导叶初始构型下的周围流场进行稳态计算，计算结果作为非稳态流畅计算初值条件；步骤二:同步双向迭代: (1)通过界面信息交换模块将耦合界面流体侧的流体应力转换为耦合界面结构侧有限单元上的节点力； (2)通过结构计算模块获取结构新的位移: .2.1记录耦合界面结构侧有限单元上的节点力、结构有限元节点和单元信息以及约束信息； .2.2求解三维结构动力方程:
2.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于:所述流场计算边界条件包括无滑移无渗透壁面边界条件、计算域进口边界条件和自由出流边界条件。
3.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于:所述流体计算模块除包括通用的流体计算功能模块外，还包括两个独立子模块，一个子模块是流体内部网格更新子模块，在得知流体域边界节点运动后，实现流体域内部网格节点的更新；另一个子模块是流体应力提取子模块，增加通用流体计算软件的二次借口，从后台直接调流体计算软件获得每个时间步的三维非定常流场，计算结束后提取耦合界面流体侧单元的流体应力值。
4.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于:所述时间步是指把物理上连续的时间分割成有限时间段，每一时间段即为一个时间步。
5.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于:所述界面信息交换模块包括两个子模块，一是变形传递子模块，该子模块将耦合面上结构侧节点位移转换为耦合面上流体侧单元的位移，以实现流体域边界运动；二是是荷载传递子模块，将导叶耦合面上流体侧流体单元应力转换为导叶耦合面上结构侧有限元节点的节点力。
6.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于:所述步骤(5)中的收敛条件是指在该时间步内，上一迭代步求出的结构位移与下一步迭代步求出的结构位移差值的模除以下一步求出的结构位移值的模小于10_4，则认为满足收敛条件，停止该时间步内的迭代，转到下一时间步继续进行计算。
【文档编号】G06F17/50GK103853884SQ201410061188
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年2月24日 优先权日:2014年2月24日
【发明者】王文全, 闫妍, 张立翔, 曾云, 李金海, 李泽, 杨锡阶, 郭涛 申请人:昆明理工大学