水力机械流激振动机理及数值模拟方法研究

随着机组单机容量的提高和建设规模的扩大，电站或泵站等水利工程的振动问题日益突出，超出一定范围的振动会直接影响到机组的安全稳定运行。在现有大型机组普遍存在水力振动的情况下，振动机理的描述和结构流激振动响应的数值模拟成为国内外研究的热点和难点问题。.本文在前人工作的基础上，在有限元框架内建立原型水力机械全流道三维非定常湍流数值模拟方法，采用先进的滑移网格技术模拟旋转水力机械中的动静干扰，开发相应的串行和并行计算程序，研究和预测过流时的脉动压力。在流体和固体交界面上寻求合适的耦合条件模拟流体和固体之间能量的传递，建立考虑三维非定常湍流与固体相互作用的数值分析方法，编制相应计算程序，分析引起水力机械振动的原因和流激振动问题产生的机理。运用FORTRAN95模块化计算机语言和并行计算技术，在一个源代码中一次计算实现考虑三维湍流流固耦合的水力机械及厂房结构流激振动响应分析计算。 2100433B

主要的研究方法有三种：

实验方法

泻涡脱落引发的涡激振动是一个多物理场耦合，相互作用的复杂过程。需要具有一套完整物理实验方案和精密的实验仪器可以把所有的涡激振动相关机型同步观测，以测定其联合效应。物理实验往往很难同时提供流体的瞬时变化数据。

数值方法

振动问题。对于数值模拟方法，按照所使用湍流模型的不同，可以将涡激振动的数值模拟方法分为:直接数值模拟方法，雷诺平均N-S方程法，大涡模拟法，涡元法，还有基于上述各种方法的综合。按照模拟方式的不同又可以分为基于弹性支撑的刚体二维模拟，基于弹性体二维涡元模拟和三维结构插值积分的离散涡元法模拟，以及对于弹性体完全使用三维模型的全流域模拟等等

半经验公式

半经验公式主要有尾流阵子，单自由度模型，流体力组分模型。

流固耦合数值计算软件

Ansys CFX

Fluent Abaqus

Adina

COMSOL Multiphysics(FEMLAB)

大跨桥梁风致大幅振动可诱发明显高阶自激力，进而反馈影响气动稳定性。以往大幅简谐、单自由度、强迫振动风洞试验方法，难以真实模拟模态耦合效应和高阶自激力对振动反馈效应。本课题提出可实现大幅、非简谐、耦合、强迫振动数值模拟方法；发展计入自激反馈效应、分析颤振(驰振)后状态的自由振动数值模拟方法；研发可实现大幅自由振动风洞试验的新型装置；提出高阶气动参数的实用识别方法。采用新提出、发展的数值模拟方法及风洞试验装置，全面研究典型桥梁二维节段模型和三维气弹模型在不同振幅、折算风速、平均攻角、模态参数等条件下高阶自激力、非线性气动参数和颤振(驰振)后状态特性。融合数值模拟及风洞试验获得的流场、压力场、空间振动信息，研究高阶自激力主要影响因素，揭示其对颤振(驰振)的作用机制。最终在桥梁高阶自激力的数值模拟技术、风洞试验方法、非线性气动参数识别理论、颤振(驰振)后状态风洞试验和数值模拟方法等方面取得突破。

在许多工程领域都存在圆柱泄涡诱发的涡激振动疲劳破坏引起的安全问题，最有效的方法是控制柱体尾涡和抑制涡激振动。传统的控制方法大多不能适应流向变化的影响。本课题提出自主的仿鱼尾和组合式飘带两类流动适应性柔性结构控制圆柱尾涡及涡激振动。主要研究内容包括：建立模型关键性参数，设计并制作各种柔性结构新模型；利用自我发展的高精度数值模拟方法对固定圆柱下尾涡控制进行数值模拟；设计风洞实验模型、实验研究固定和振动状态下圆柱的尾涡及涡激振动控制机理；设计典型水洞实验模型、实验研究振动状态下圆柱尾涡及涡激振动控制机理；深入分析计算和实验中的机理，探索高效的新型结构及其关键性参数的适应范围，为尾涡及涡激振动控制提供新的技术路线，也为海洋、土木、桥梁、动力、能源等领域相关结构的设计、使用和安全保障提供理论指导和技术支撑，其成果在许多领域具有广阔的应用前景。