不完整约束蜗壳-水力联合作用及诱振机理研究

In fluid-induced vibration of the hydro-turbine generating set, the vibrating source shows characteristics of the complexity and variety,while the mechanism has not been completely clear until now.The stiffness, the structrue form of the hydraulic building and the embedding manners of the spiral case have significant influences on the vibration and its transmitting. Due to its advantage of a special strcture,pre-load spiral case becomes more and more widely-used in the middle and big hydropower project.However,the nonholonomic constraint also plays an important role in affecting the mechanism, especially for the vibration transimitting between the spiral case and the external concrete when considering non-uniform cracks.The focus in this study are: obtain the spiral case-water coupling vibration mechanism in the separating, undercritical contact state and the co-work state; study the deformation and the dynamics of fluid-structure body(fluid and the spiral case)in rotating turbulent flow field with high Reynolds number;give the interface coupling program for the fast algorithm in solving this kind of interaction between the spiral case and water, and do numerical simulation with effective techniques;reveal the dynamic mechanism of the spiral case structure-water interaction with the combination of the vibrating sensors experiment.The study in this project have both imporatant theoretical meaning and application values for the development of the method to anlyze the stability of the hydro-turbine,whose spiral case has nonholonomic constraint.

水力因素诱发的机组振动，不仅振源特性呈现出多样性和复杂性，其机理至今尚未完全清楚，而且机组刚度以及水工建筑物（基础）的结构形式和蜗壳埋设方式等对诱振和振动传递也有显著影响。预压蜗壳以其独特的结构优势在大中型水电站中已经得到越来越广泛的应用。然而不完整约束对蜗壳结构的受力性能也带来较大影响，尤其是考虑非均匀缝隙，对机组与外围混凝土之间的振动传递影响显著。本项目研究的核心内容就是弄清楚蜗壳结构在脱空、亚临界接触状态和联合工作状态下的蜗壳-水力耦合振动机理；研究高雷诺数旋转湍流场中流固体（流体+蜗壳）在欧拉、拉格朗日构架下的变形和动力学特征研究。建立求解此类蜗壳-水力联合作用所需的界面耦合程序的快速算法及高效的数值模拟技术的实现；结合振动传感试验，揭示蜗壳-水力相互作用的动力学机理。本项目研究对推进不完整约束蜗壳结构的水轮机稳定性分析方法体系的发展具有重要理论意义和应用价值。

水力因素是诱发机组的重要因素之一，而且水工建筑物（基础）的结构形式和蜗壳埋设方式等对诱振和振动传递也有显著影响。预压蜗壳以其独特的结构优势在大中型水电站中已经得到越来越广泛的应用。然而不完整约束对蜗壳结构的传力机理也带来较大影响。本项目以不完整约束蜗壳为研究对象，通过数值计算和理论分析，探讨非均匀初始缝隙产生的机理以及弄清小开度工况下，水轮机内部高雷诺数旋转湍流场的流动状态，寻找诱发蜗壳结构振动的关键水力因素。. 通过项目资助，研究工作取得了明显进展，共发表与该项目密切相关的学术论文11篇，其中SCI收录1篇，EI收录5篇。本课题的研究内容和重要成果主要集中在如下几个方面：（1）提出了基于非均匀缝隙的充水保压蜗壳三维仿真算法，通过数值算例和理论分析，证实数值方法的可靠性和有效性，为非均匀保压缝隙的求解和仿真模拟提供一种有效手段。从物理角度揭示了非均匀初始缝隙产生的机制和不完整约束蜗壳与外围混凝土之间的传力机理;（2）采用大涡模拟方法得到混流式水轮机在下开度工况下，全流道内独特的流动状态沿流道的变迁演化过程，以及压力脉动的分布特征。并分析这些漩涡、脱流、分离间断和回流等各种更为剧烈和复杂的水力不稳定现象产生的原因和机理;（3）分别针对固体为超弹性体和刚体的情况，进行了大变形情况和刚体绕流问题的流固耦合计算方法探讨。. 总之，本项目的研究达到了预期目标，研究工作取得了显著进展，研究结果有助于理解不完整约束蜗壳的真实受力特性，有助于理解水轮机流道内复杂流动的真实物理机理，同时对机组水力稳定性分析和问题的解决具有积极意义。