基于ansys分析的水轮机过流部件流固耦合振动研究.pdf
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1、2004 ANSYS 中国用户论文集 基于 ANSYS 分析的水轮机过流部件流固耦合振动研究 * 邬海军 郭鹏程 廖伟丽 罗兴锜 西安理工大学水利水电学院,陕西 710048 摘 要摘 要 本文通过对弹性体振动的有限元方程和不可压缩粘性流体的有限元方程的分析,得到了弹性体 与粘性流体流固耦合的有限元方程。以水轮机导叶为例,运用 ANSYS 有限元软件计算了其在空 气中的振动特性以及流固耦合振动的频率和振型,并对二者进行比较,分析了影响振动的因素, 为水轮机部件的设计与预防裂纹的产生起到了一定的作用。 关键词关键词 ANSYS;流固耦合;振动;有限元 Study on Fluid-Solid C
2、oupling Dynamic for the Component of Hydraulic Turbines Based on ANSYS Wu Haijun Guo Pengcheng Liao Weili Luo Xingqi Institute of Water Resources and Hydroelectric Engineering Xian University of Technology, Xian 710048 Abstract FEM equation of fluid-solid coupled vibration was constituted by analyzi
3、ng FEM equation of incompressible viscosity fluid and elastomer. Based on the equation, taking example of vane, its dynamic characteristics in the air and frequency and swing of fluid-solid coupling vibration are calculated by using ANSYS. Finally calculation of fluid-solid coupling vibration of bla
4、de was forecasted on the step by comparing the two vibration characteristics, at one time, the main factor that affect the vibration was analyzed. So these result have a definite meaning for design and preventing crack in the component of hydraulic turbines. Keywords ANSYS;Fluid-solid coupling;Vibra
5、tion ;FEM 1 引言 近年来,水轮发电机组的容量、尺寸及比转速不断提高,但水轮机的重要部件如转轮叶 片, 固定导叶等在机组的复杂运行环境中, 受到各种水力不平衡力和其他各种激励源的作用 而产生的振动问题日益突出。 各种振源都各自具有固定的物理特征和振动规律, 机组产生振 动振源并非是唯一的, 这就给寻找振源工作增加了复杂性。 而长时间的机组振动可能引起结 构的疲劳破坏,并且激励源频率与水轮机结构在水中的固有频率接近或相同时可引发共振, 在共振条件下极易引起结构的破坏。由于水轮机的工作介质是液体而不是空气,这样,当水 轮机机组因某种激励而产生振动时, 必然会带动其周围的液体一起振动, 且
6、液体的振动反过 来又影响这些部件的振动特性, 而裂纹的产生就与固液耦合振动及引起的共振有着直接的关 系。 随着有限元数值计算方法的发展和大型通用有限元软件的开发, 使流固耦合振动计算可 以用数值模拟计算的方法代替实验方法研究。本文利用有限元 ANSYS 软件,考虑流体的粘 性,以水轮机固定导叶为例,计算了在水中的固有频率及主振型,为防止水轮机部件的振动 疲劳破坏提供了借鉴方法。 *基金项目:国家自然科学基金项目(50309012) 2004 ANSYS 中国用户论文集 2 流固耦合有限元方程的建立 在流固耦合的区域, 流体对水轮机部件的压力改变了部件振动的模态, 而后者反过来影 响流场的分布。
7、 在流固交界处流体和弹性体具有相同的速度和压力, 这是进行流固耦合的物 理条件。因此流固耦合问题的实质就是联合求解下列方程: FEDUCPBUUUA+=+ & (2-1) HGU = (2-2) PKCM & & (2-3) 式(2-1), (2-2)是求解不可压粘性流体流动关于压力和速度解的总体矩阵有限元方程, 其中 , P 表示由全域各节点压力所组成的列矢量, A,B,C,D,E,F 分别表示全域的质量, 对流,压力,耗损,体积力,面积力总系数矩阵,G,H 分别表示连续,边界速度总系数矩阵。 它是基于如下的不可压缩粘性流体流动的 Navier-Stokes 无量纲形式方程: TuU= 0=
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