流固耦合框架下混流式水輪機三維水力暫態過程研究

《流固耦合框架下混流式水輪機三維水力暫態過程研究》是依託昆明理工大學，由王文全擔任項目負責人的地區科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：流固耦合框架下混流式水輪機三維水力暫態過程研究
• 項目類別：地區科學基金項目
• 項目負責人：王文全
• 依託單位：昆明理工大學

項目摘要

水力暫態過程中的非定常流動是誘發機組振動的重要因素之一，直接關係到機組穩定安全運行。為此，本項目以混流式水輪機水力暫態過程為研究對象，基於浸入邊界法的建模思想，將彈性轉輪葉片流激振動和活動導葉大幅運動對流場的影響以附加動量源項的形式加入描述葉道流動的Navier-Stokes方程，建立流固耦合框架下描述水力暫態過程的三維流動控制方程。採用基於Vreman亞格子動態模型的大渦模擬方法和有限體積的浸入邊界方法求解耦合系統。模擬受活動導葉大幅運動和轉輪葉片微幅振動擾動下葉道內複雜湍流流動，獲取不同暫態過程中壓力、速度等流動參量的時、空變遷特性和作用於轉輪上的水力載荷（水力矩）特性。分析不同暫態過程中流道內關鍵過流部位的壓力脈動、空化和渦結構特徵，以及轉輪葉片動力回響和作用於轉輪上的水力載荷與導葉動態繞流之間的耦聯關係。揭示水力暫態下影響系統穩定性的關鍵因素，尋找表征機組穩定性的新方法和新判據。

結題摘要

水力暫態過程中的非定常流動是誘發機組振動的重要因素之一，直接關係到機組穩定安全運行。本項目以混流式水輪機水力暫態過程為研究對象，基於浸入邊界法的建模思想，將活動導葉大幅運動對流場的影響以附加動量源項的形式加入描述葉道流動的Navier-Stokes 方程，建立了描述水力暫態過程的三維流動控制方程。採用大渦模擬的有限體積法求解耦合系統。模擬受活動導葉大幅運動下葉道內複雜湍流流動，獲取不同暫態過程中壓力、速度等流動參量的時、空變遷特性和作用於轉輪上的水力載荷（水力矩）特性。 研究工作取得了顯著的成果，發表學術論文14篇，授權發明專利1項，撰寫學術專著1部，獲雲南省自然科學二等獎1項（排名第2）。項目的研究成果主要集中在以下四個方面。（1）剛體與流體耦合運動的投影浸入邊界法研究。在水力暫態過程中，活動導葉調節產生大幅主動運動，其本質上涉及剛體與複雜湍流的耦合作用。課題組利用反饋力函式和自適應格線加密技術，採用浸入邊界法實現單個活動導葉動態旋轉擺動的數值模擬和不同攻角下水輪機雙列葉柵動態繞流的數值模擬，並探討了導葉誘發的尾跡渦的演化過程。（2）柔性體與流體耦合運動的自適應浸入邊界法研究。在水力暫態過程中，轉輪葉片受來流不均等的影響，產生流激振動，其本質上涉及彈性體與流體的耦合作用。課題組有效結合傳統的反饋力方法和混合有限元浸入邊界方法，研究了基於浸入邊界的流固耦合方法，並以圓柱和方柱繞流後柔性懸臂樑流固耦合振動問題為數值算例，驗證數值方法的可靠性。（3）混流式水輪機水力暫態過程的研究。課題組藉助浸入邊界法的思想，將活動導葉的大幅主動運動對流場的影響以動量源項的形式加入到描述葉道流動的Navier-Stokes 方程中，在流固耦合框架下建立了描述水力暫態過程的三維流動控制方程和數值求解方法，實現了單個活動導葉三維動態旋轉擺動下葉道內複雜湍流的數值模擬。通過數值模擬獲取活動導葉勻速連續開、關過程中渦量等流動參量的時變特性和作用於轉輪上的水力載荷特性。（4）完成混流式水輪機雙列線性葉柵非線性運動下葉片表面代表點的壓力測試。 本課題的研究在於探索水力機械暫態過程中流體結構相互作用機理，支撐水力機械及其系統的發展。