第１４期石祥钟等混流式水轮机转轮双向流固耦合力学特性研究力应变的分布规律进行分析研究３水轮机内部计算域网格及边界条件设定本文建立了从蜗壳进口至尾水管出口的全流道计算域三维几何模型并进行了网格划分全流道网格７３力通过流固耦合边界将压力传递给转轮的结构

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运亦支
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1 第 47 卷第 14 期 2016 年 7 月人民长江 Yangtze River Vol.47,No.14 July, 2016 文章编号 : (2016) 混流式水轮机转轮双向流固耦合力学特性研究石祥钟 1, 赵文鲁 1, 闫雪纯 1 2, 刘安然 (1. 河北工程大学水电学院, 河北邯郸 ; 2. 核工业第五研究设计院, 河南郑州 ) 摘要 : 为了解运行过程中的水轮机叶片应力应变和流场的分布状况及规律, 以某高比转速混流式水轮机为例, 采用双向流固耦合算法, 对其转轮叶片的应力应变情况和内部流动特性进行了研究和计算分析研究结果表明, 在高转速小流量的工况下, 叶片的最大变形出现在出水边的下部, 出水边中部也出现了比较大的变形, 叶片的进水边出水边与上冠及出水边与下环的相连接处出现了集中应力 ; 在其他工况下, 叶片的最大变形出现在出水边的中部, 集中应力出现在叶片出水边与上冠的相连接处该水轮机在正常运行的情况下, 转轮叶片的变形很小, 对内部流场的影响不大因此, 如果只是对水轮机进行水力性能方面的分析, 则没有必要进行双向流固耦合计算关键词 : 模拟分析 ; 流固耦合 ; 力学特性 ; 混流式水轮机中图法分类号 :TV734 文献标志码 :A DOI: /j.cnki 研究背景水轮机转轮是将水能转换为机械能的核心部件受水力振动及制造缺陷的影响, 转轮叶片有时会发生断裂和裂纹的现象, 成为水轮机运行过程中普遍存在的安全隐患, 因此, 对裂纹产生机理及发生规律进行研究分析一直是备受重视的研究课题 [1] 本文利用 Workbench 平台中的 TransientStructural 和 CFX 两个模块 [2], 采用双向流固耦合算法, 对某高比转速混流式水轮机在多个工况下的运行情况进行了模拟分析, 探讨了水轮机工作时叶片的应力应变以及流场分布情况, 揭示了它们在不同工况区的分布规律 2 水轮机转轮参数及工况选取本文研究对象为某高比转速混流式水轮机, 设计水头为 45m, 设计流量为 1.26m 3 /s, 额定转速 n e 为 82 r/min, 转轮直径为 1m, 转轮叶片数 z 为 14 该转轮所用材料为某铬金属, 密度为 kg/m 3, 弹性模量为 Pa, 泊松比为 0.3, 抗压屈服强度为 230 MPa, 抗拉屈服强度为 450MPa 本文对该水轮机的 15 个典型工况点进行了详细的计算分析, 具体情况见表 1 表 1 计算工况点基本参数工开度 / 单位转速 / 单位流量 Q 11 / 工开度 / 单位转速 / 单位流量 Q 11 / 况 mm (r min -1 ) (m 3 s -1 ) 况 mm (r min -1 ) (m 3 s -1 ) 表 1 中, 包括小出力工况 ( 工况 1,2,4,6,9) 最优工况 ( 工况 8) 以及大出力工况 ( 工况 7,11,12,14, 15) 工况 1,4,6,8,11,12 和 15 在零冲角线附近, 工况 3,5,8,10 和 13 在无涡线附近 [3] 所选工况覆盖了水轮机的模型综合特性曲线中整个高效区范围, 能够比较全面地反映水轮机运行过程中的转轮叶片的应力应变与流场的分布特点, 以便对水轮机转轮叶片应收稿日期 : 基金项目 : 河北省高等学校科学技术研究重点项目混流式水轮机叶片流固耦合动力特性研究 (ZH ) 作者简介 : 石祥钟, 男, 教授, 硕士生导师, 博士, 研究方向为流体机械设计及性能研究 hbshixz002@163.com 通讯作者 : 赵文鲁, 男, 硕士研究生, 研究方向为流体机械设计及性能研究 @qq.com

核工业第五研究设计院, 河南郑州 450007) 摘要 : 为了解运行过程中的水轮机叶片应力应变和流场的分布状况及规律, 以某高比转速混流式水轮机为例, 采用双向流固耦合算法, 对其转轮叶片的应力应变情况和内部流动特性进行了研

2 第１４期石祥钟等混流式水轮机转轮双向流固耦合力学特性研究力应变的分布规律进行分析研究３水轮机内部计算域网格及边界条件设定本文建立了从蜗壳进口至尾水管出口的全流道计算域三维几何模型并进行了网格划分全流道网格７３力通过流固耦合边界将压力传递给转轮的结构体以求解转轮结构获得位移再经耦合边界将位移结果传递给流场如此反复传递迭代直至耦合系统计算收敛为止４５流场计算应用的数学模型是标准的ｋ ε模型单元数为８６６４４８９其中转轮流体域的网格单元数叶片作为柔性体其在水中的结构力学方程为式为３４３２４９２节点数为３６６９６２４对转轮的固体域模１６９水流和转轮叶片产生相互作用由水流所产型也进行了网格划分网格单元总数为４０１７６７节点生的附加质量附加阻尼项和附加刚度项可得联合方数为８６８０８１见图１程即式２Ｍ δ Ｃ δ Ｋ δ ＦｔＲｆｔ１ { ＡＵＢＵＵＣＰＤＵＥＦＧＵＨ２Ｍ δ Ｃ δ Ｋ δ ｐ式中Ｍ为结构质量阵Ｃ为压力系数阵Ｋ为结构刚度阵Ｆｔ为节点外所加的载荷向量Ｒｆｔ图１转轮固体域网格模型示意水轮机转轮的上冠与主轴凸缘是由螺栓连接的为流体与结构体互相作用的附加节点向量 δ 为节点位移向量Ｐ表示由全域各节点压力所组成的列矢所以对上冠处应加以固定约束与叶片焊接的下环可量ＡＢＣＤＥＦ分别表示全域的质量对流压力以绕Ｚ轴受约束性的扭动在下环上设置有远程位移ｗＴ耗损体积力面积力总系数矩阵其中Ｕｕｖ约束叶片的表面是与水流相互作用的面因此将其设ＧＨ分别表示连续边界速度总系数矩阵８置为流固耦合面并对转轮添加了重力加速度和转轮转速见图２５计算结果分析由于叶片在空间周期性分布且为了便于观察转轮叶片的变形及应力情况取出了转轮中的单叶片及单叶片流道来进行分析研究１叶片应变分布分析实际上叶片本身所发生的变形是很小的为了方便观察分析叶片的变形情况增强其可视性将计算所得的叶片变形图进行了放大处理见图３和图图２流固耦合边界条件设置４算法介绍和计算实现４这里主要选取几个典型的工况点给予阐述其中包括零冲角线两端的工况１高单位转速小开度和工况１５低单位转速大开度工况８最优工况和在计算过程中采用了以下２种算法来对转轮内部的流动情况进行计算分析１只计算流场将转轮视为刚性体计算域不变形其计算较简便２采用双向流固耦合算法将转轮视为柔性体２转轮受到水流的作用发生变形转轮的变形又位于无涡带工况区两端的工况３低单位转速小开度与工况１３高单位转速大开度对于距无涡带线较远的小出力工况如工况１其叶片的变形形式类似于叶片变形形式一见图３叶片较大的变形位置出现在叶片出水边的中部Ａ区变形弯向压力面的方向以及出水边的下部Ｂ造成了流体计算域的变形其计算结果更接近于实际区该处的变形弯向吸力面的方向此时叶片出水边但是计算过程比较复杂的变形呈Ｓ状其他所研究工况的叶片变形形式类流固耦合求解过程是流体方程与结构方程相互迭似于叶片变形形式二见图４较大的变形位置出现代的过程通过流场计算可以获得转轮叶片的表面压在叶片出水边的Ａ区其变形弯向叶片吸力面的方

产生相互作用由水流所产型也进行了网格划分网格单元总数为４０１７６７节点生的附加质量附加阻尼项和附加刚度项可得联合方数为８６８０８１见图１程即式２Ｍ δ Ｃ δ Ｋ δ ＦｔＲｆｔ１ { ＡＵＢＵＵＣＰＤＵＥＦＧＵＨ２Ｍ δ Ｃ δ Ｋ δ ｐ式中Ｍ为结构质量阵Ｃ

3 ７４人民长江２０１６年向变形量的分布是从上冠到下环先增大后减小各上冠相接处Ｃ区都出现了集中应力的情况Ｃ区吸种工况下的最大变形量列于表２力面的集中应力比压力面更大最大值为５３ＭＰａ在叶片与下环的相接处Ｄ区也出现了应力集中的情况而且吸力面的应力更大最大值为３４ＭＰａ见图５２工况１５在其相似变形工况中产生的局部应力最大其应力分布情况为 ① 在Ｃ区产生了集中应力的情况而且压力面比吸力面的更大最大值达到了２１４ＭＰａ ② 叶片压力面靠近下环紧挨进水边处Ｆ区出现了带状应力分布区最大值为７９７ＭＰａ ③ 叶片吸力面沿Ｃ区和Ｆ区连线Ｇ区的位置出现了带状高应力区见图６图３叶片变形分布形式一图５工况１的叶片应力分布图４叶片变形分布形式二表２典型工况叶片变形量最大值ｍｍ工况最大变形量工况最大变形量１１７０１１３３２０４３１６５７１５６９５３８２７８６２叶片应力分布图６工况１５的叶片应力分布３转轮和尾水管内部流动计算结果本文采用了前述２种算法来计算水轮机的内部流动情况并选取叶片变形量最大的工况１５来进行对比水轮机转轮工作时叶片内各部分之间会产生应分析图７和图８分别为转轮内部近叶片表面的流场力以抵抗叶片因动水压力的作用而产生变形应力分布示意通过对２种算法所得出的叶片表面流速和分布与叶片变形的分布相关叶片的变形越大其在局压力分布情况进行比较分析表明近叶片表面的流速部产生的应力也就越大压力分布均比较均匀最大流速出现在叶片出水边的１经过对相似变形的工况进行比较以后发现下部运用算法２计算出的最大流速略微大一点但其在叶片相同的位置上相比其他一些具有相似变形的变化的大小可忽略不计对转轮内部的整体流动情况工况而言工况１处所产生的应力都比较大其中吸进行了分析结果表明该型号的水轮机在高效区范围力面应力的分布情况相对压力面更加不均匀其分布内其转轮内部并没有发现严重的脱流旋涡等不利的情况为叶片进水边与上冠相接处Ｅ区出水边与流动特征

６图３叶片变形分布形式一图５工况１的叶片应力分布图４叶片变形分布形式二表２典型工况叶片变形量最大值ｍｍ工况最大变形量工况最大变形量１１７０１１３３２０４３１６５７１５６９５３８２７８６２叶片应力分布图６工况１５的叶片应力分布３转轮和尾水管内部流动计算结果本文采用了前述２种算法来计算水轮机的内部流动情况

4 第 14 期石祥钟, 等 : 混流式水轮机转轮双向流固耦合力学特性研究 75 对于偏离无涡带的工况点, 水在尾水管内伴随着明显的旋转, 从进口处向出口处流动利用 2 种算法对工况 15 的情况进行了计算, 得到了尾水管内流线的分布情况 ( 见图 9) 由图 9 可以看出, 其内部流态相似, 进口处的最大流速很接近, 至于差别则可以忽略不计图 7 工况 15 的近叶片表面的流速场分布图 8 工况 15 的叶片表面的压力场分布图 9 工况 15 的尾水管内流线分布对多个工况的情况进行了分析比较, 结果表明, 运用 2 种算法计算的流场结果差别不大, 而且利用它们的模拟结果计算出的能量参数 ( 例如效率 ) 也近似相等因此, 可以做出结论 : 如果仅需要对水轮机的流动情况和水力性能进行分析研究, 那么只需采用算法 1 即可以满足要求 ; 如果还需要对转轮的力学特性进行分析研究, 那么就应该采用算法 2 6 结论通过采用双向流固耦合算法对某高比转速混流式水轮机转轮叶片的应力应变情况及其内部流动特性进行计算分析, 可以得出以下结论 (1) 转轮叶片的较大变形主要出现在出水边的中部和下部位置, 负荷越大, 叶片的变形量就越大 (2) 集中应力主要出现在叶片的进水边出水边与上冠的相交处以及出水边与下环的相交处 ; 负荷较大时, 叶片靠近下环处及叶片背面上部就会出现明显的带状高应力区 ; 在高效区范围内, 其产生的最大应力值小于叶片材料的屈服强度, 表明该材料的叶片可以满足水轮机在各种工况下的正常运行 (3) 该类水轮机转轮叶片的变形对流场造成的影响不大, 如果只需对水轮机进行水力性能分析, 则没有必要进行双向流固耦合计算参考文献 : [1] 廖伟丽, 徐斌, 罗兴, 等. 部分负荷下混流式水轮机转轮叶片变形对流场的影响 [J]. 机械工程学报,2006,42(6): [2] 宋学官, 蔡林, 张华.ANSYS 流固耦合分析与工程实例 [M]. 北京 : 水利水电出版社,2012. [3] 吴玉林, 刘树红, 钱忠东. 水利机械计算流体动力学 [M]. 北京 : 水利水电出版社,2007. [4] 金连根, 毛建生, 方兵. 混流式水轮机转轮流场单向双向流固耦合数值的分析比较研究 [J]. 机电工程,2014,31(12): [5] 肖若富, 朱文若, 杨魏, 等. 基于双向流固耦合水轮机转轮应力特性分析 [J]. 排灌机械工程学报,2013,31(10): [6] 唐学林, 贾玉霞, 王福军, 等. 贯流泵内部湍流流动及叶轮流固耦合特性 [J]. 排灌机械工程学报,2013,31(5): [7] 蔡敢为, 蓝永庭, 李兆军, 等. 混流式水轮机转轮内流固耦合的有限元模型 [J]. 广西大学学报,2008,33(1): [8] 邬海军, 廖伟丽, 罗兴, 等.ANSYS 在水轮机部件流固耦合振动分析中的应用 [J]. 水电能源科学,2004,22(4): [9] 王少波, 刘元杰, 梁醒培. 大型混流式水轮机转轮叶片结构动力特性分析 [J]. 机械强度,2004,26(1): ( 编辑 : 赵秋云 ) ( 下转第 89 页 )

行了分析比较, 结果表明, 运用 2 种算法计算的流场结果差别不大, 而且利用它们的模拟结果计算出的能量参数 ( 例如效率 ) 也近似相等因此, 可以做出结论 : 如果仅需要对水轮机的流动情况和水力性能进行分析研究, 那么只需采用

5 第 14 期郑付刚, 等 : 多因素协同作用下混凝土碳化深度预测模型研究 89 业建筑,1999,29(9): [4] 金祖权, 孙伟, 张云升, 等. 荷载作用下混凝土的碳化深度 [J]. 建筑材料学报,2005,8(2): [8] HanG,DusseaultM B.Descriptionoffluidflowaroundawelbore withstres-dependentporosityandpermeability[j].journalofpe troleum ScienceandEngineering.2003,40(1-2):1-16. [5] 冯乃谦, 邢锋. 混凝土与混凝土结构的耐久性 [M]. 北京 : 机械工业出版社,2009. [6] 张誉, 蒋利学, 张伟平. 混凝土结构耐久性概论 [M]. 上海 : 上海科学技术出版社,2003. [7] 蒋清野. 混凝土碳化数据库与混凝土碳化分析 [D]. 北京 : 北京交 [9] 吴中如. 重大水工混凝土结构病害检测与健康诊断 [M]. 北京 : 高等教育出版社,2005. [10] 袁承斌, 张德峰, 刘荣桂, 等. 混凝土在不同应力状态下的碳化 [J]. 建筑结构,2004,34(4): ( 编辑 : 胡旭东 ) 通大学,1997. Studyonconcretecarbonationdepthpredictionmodelunderco-influenceofmulti-factor ZHENGFugang,FENGYuqiang (PowerChinaChengduEngineeringCorporationLimited,Chengdu610072,China) Abstract: Concretecarbonizationisoneoftheintrinsicfactorsthatmaycauseserviceperformancedegradationofconcrete dam.inordertoensurethelong-lastingserviceofconcretedam,theevolutionlawofconcretecarbonationshouldberevealed. Basedontheporousmediatheoryandtheconcreteporestructure,andstartingfrom thebasicphysical-chemicalconditionsof carbonization,theinfluenceoffreezing-thawingcirclesandstressstatesonthevariationofconcreteporosityisstudied.accord ingtothestudyresults,amulti-factorpredictionmodelofcarbonizationdepthisestablished.theefectivenessoftheproposed modelisverifiedbynumericalstudy. Keywords: predictionmodel;multi-factor;porosity; concretecarbonation 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 ( 上接第 59 页 ) Discussiononseveralissuesofconcretefacerock-fildam YANGQigui 1,2,TANJiexiong 1,2,ZHOUXiaoming 1,2,GAODashui 1,2 (1.ChangjiangInstituteofSurvey,Planning,DesignandResearch,Wuhan430010,China;2.NationalDam SafetyEngineer ingtechnologyresearchcenter,wuhan430010,china) Abstract: ModernCFRDconstructionhasdevelopedrapidlyinChinaduetoitsuniqueadvantages,howevertheCFRD con structionisrestrainedbyhighdiseaseratioanddificultiesindangerinspectionandtreatment,whichafectsitsfutureprogress. CombingwiththeplentifulengineeringpracticeofCFRDconstructionathomeandabroad,wecaryoutdiscussionaboutseveral issuesincfrdconstruction,andputforwardthefolowingsuggestions:theauxiliarywater-proofblanketatdam frontcouldbe removedtofacilitatetheunderwaterinspectionandreinforcement;thewateremptyfacilityisrequired,andtheintermediatewater sealinginperipheraljointcouldberemovedwhilethetopwatersealingshouldbestrengthened. Keywords: waterproofblanket;blow-downfacility;watersealingstructure; CFRD 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 ( 上接第 75 页 ) Studyonmechanicalpropertiesoftwo-wayfluid-structure interactionoffrancisturbinerunner SHIXiangzhong 1,ZHAOWenlu 1,YANXuechun 1,LIUAn ran 2 (1.ColegeofWaterConservancyandHydropower,HebeiUniversityofEngineering,Handan056021,China;2.TheFifthResearch anddesigninstituteofnuclearindustry,zhengzhou450007,china) Abstract: ForahighspecificspeedFrancisturbine,thestressandstrainconditionofrunnerbladeandtheinternalflowchar acteristicswerecalculatedandanalyzedbyusingthemethodoftwo-wayfluidsolidcouplingalgorithm.theresultsshowthatun derhighrotatingspeedandsmalflow,themaximum deformationoccursatthelowerpositionofbladetailedgeandwithrelative largedeformationatthebladetailedgecentre,thestressconcentratesatthebladeheadedge,tailedge,hub,jointpositionof tailedgeandshroud;forotherconditions,themaximum deformationofbladeisatbladetailedgecentreandthestressconcen tratesatthejointpositionoftailedgeandhub.thebladedeformationissmalwhentheturbinerunneroperatesnormalyandhas litleimpactontheturbineinternalflowfield.thetwo-wayfluidsolidcouplingcalculationisunnecessaryifonlythehydraulic performanceofturbineisneededtobeanalyzed. Keywords: simulationanalysis;fluid-structureinteraction;mechanicalproperties;francisturbine

北京 : 机械工业出版社,2009. [6] 张誉, 蒋利学, 张伟平. 混凝土结构耐久性概论 [M]. 上海 : 上海科学技术出版社,2003. [7] 蒋清野. 混凝土碳化数据库与混凝土碳化分析 [D]. 北京 : 北京交 [9] 吴中如.

2 (1898) 1 : 4 1 : ; ; : ; ; : 3 ( ) ( ); ; ; ( ); 2 3 ( ) (1) 1986 787 4 151

DOI:10.16240/j.cnki.1002-3976.2016.03.023 (1897) 4 1 (1898) 1 2 2 : (2) 1986 1330 3 : ( ) (1899) 2008 9 4 3 ( ) 2008 7 9 150 2 (1898) 1 : 4 1 : ; ; : ; ; : 3 ( ) ( ); ; ; ( ); 2 3 ( ) (1) 1986 787 4 151