考虑三维粘性流场的水泵水轮机转轮流固耦合动力特性研究

抽水蓄能电站在蓄能和保证电力系统稳定性中有着不可替代的作用，我国未来10年内蓄能机组装机总容量将增加3000万kW，而我国大中型抽水蓄能电站的水泵水轮机组主要依靠进口。水泵水轮机转轮在非定常水力激振力作用下，转轮的应力集中过大或动应力过大容易引起转轮裂纹破坏,转轮的动力特性是蓄能机组一系列关键技术研究中值得深入研究的内容。本申请开展水泵水轮机转轮流固耦合动力特性研究。首先对水泵水轮机全流道进行精确的三维流态数值模拟，揭示不同工况下的水力激振力的频率特性，然后进行非定常流动引起的叶片动应力全流固耦合特性分析，探讨转轮叶片运行时共振的可能性及动应力特性。深入探讨考虑粘性流场的转轮叶片流固耦合振动数学模型，并进行数值方法研究与实践，提出更为合理的转轮叶片流固耦合分析方法。这些研究成果将为高水头、大容量水泵水轮机转轮叶片的安全设计提供依据。

以某大型高水头混流式水泵水轮机为研究对象，建立了机组整体流道以及转轮及单个叶片的物理模型。针对水泵水轮机转轮流固耦合的复杂非线性动力特性问题，通过理论分析、数学推导和数值模拟进行了系统研究，解决了研究的关键问题，取得了预期的研究成果。研究发展了水泵水轮机全流道水力激励力、转轮工作状态下模态和流固耦合动应力特性的综合理论分析方法，研究成果可为水泵水轮机的转轮安全设计提供分析方法和优化设计技术，还将研究成果推广应用到其它类型水力机械转轮的等研究中，取得了丰富的科研成果和良好的社会经济效益。.对水泵水轮机全流道进行精确的三维流态数值模拟，包括十个典型的水轮机运行工况点和三个典型的水泵运行工况点，对各工况点的压力脉动计算与实测结果进行了对比分析，建立了机组不同运行工况流场特性数据库，并深入研究了叶片水力振动的激振力特性。研究发展了水泵水轮机转轮叶片流固动力耦合的理论数学模型，首次实现了对单个转轮叶片和转轮在实际流道内无水和充水两种情况下的精确模态分析，目前的文献尚未查阅到采用这种分析方法，此项研究处于国际领先水平。结果显示叶片在充水条件下中的固有频率较无水即空气介质中低，转轮的模态分析也发现在水中的频率也下降，其主要原因是周围水产生的附加质量使其固有频率减小，研究还系统分析了影响附加质量大小的因素。对水力激励引起的叶片动应力特性进行了系统分析,发现某些工况的动应力幅值较大，动应力主频与激励力主频相吻合，会影响机组的使用寿命。还对激励力、动应力和模态振型的固有频率进行比较分析，总结了机组运行工程中多场耦合共振的可能性及其分析方法。.在基金资助下，发表学术论文14篇，其中SCI、EI双检论文论文5篇， EI检索论文4篇，另有4篇国际会议论文待检索，撰写投稿高水平论文5篇。申请专利5项，获得软件著作权3项，获省部级科技进步一等奖一项，二等奖三项。合作博士后3人，培养硕士毕业4人，博士毕业2人，在读硕士研究生2人，博士研究生4人，组织举办了两次国际会议，圆满完成了课题的预期成果。