[发明专利]一种水轮机活动导叶振动特性预测方法

权利要求书

1.一种水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于具体步骤包括：

步骤一：非稳态流场初值计算：根据设定的流场计算边界条件，通过流体计算模块对导叶初始构型下的周围流场进行稳态计算，计算结果作为非稳态流畅计算初值条件；

步骤二：同步双向迭代：

（1）通过界面信息交换模块将耦合界面流体侧的流体应力转换为耦合界面结构侧有限单元上的节点力；

（2）通过结构计算模块获取结构新的位移： 

2.1记录耦合界面结构侧有限单元上的节点力、结构有限元节点和单元信息以及约束信息；

2.2 求解三维结构动力方程：                                                

式中，为结构的质量矩阵，为结构的阻尼矩阵，为结构的切线刚度矩阵，为结构总的外力矢量，、和分别代表结构的加速度矢量，速度矢量和位移矢量；

2.3计算收敛后得到，即为叶片有限元节点新的位移；

（3）通过界面信息交换模块，将耦合界面结构侧有限元节点新的位移转换为耦合界面流体侧网格单元上，实现流体计算域的边界运动：流体节点对应的网格位移为:

式中，为流体节点对应的结构侧的自然坐标，为固体单元的节点总数，为固体单元上节点的插值形函数，为固体单元上节点的位移值；

（4）通过流体网格更新模块实现流体内部网格的更新：

4.1利用虎克定律，作用在该节点上的合力为

式中  和 分别是节点及其相临节点的位移, 是与节点相临的邻居节点的个数,  是节点与它相临节点之间的弹簧刚度，表示为

式中  和 分别为节点  和  的位置坐标；

   4.2 在新的平衡位置，节点所受到的合力应为零：

式中，表示迭代步；当流体边界节点位置确定后，利用上式求出流体内部各节点位置；当上式迭代收敛后，节点位置更新为

式中和分别代表下一时间步和当前时间步，表示迭代收敛后各节点需移动的距离；

（5）重复步骤（1）～（4），满足收敛条件后，输出该时间步结构的位移值，同时将流体和结构组成的耦合系统的计算同步推进到下一个时间步的计算，即实现水轮机活动导叶振动特性的预测。

2.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于：所述流场计算边界条件包括无滑移无渗透壁面边界条件、计算域进口边界条件和自由出流边界条件。

3.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于：所述流体计算模块除包括通用的流体计算功能模块外，还包括两个独立子模块，一个子模块是流体内部网格更新子模块，在得知流体域边界节点运动后，实现流体域内部网格节点的更新；另一个子模块是流体应力提取子模块，增加通用流体计算软件的二次借口，从后台直接调流体计算软件获得每个时间步的三维非定常流场，计算结束后提取耦合界面流体侧单元的流体应力值。

4.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于：所述时间步是指把物理上连续的时间分割成有限时间段，每一时间段即为一个时间步。

5.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于：所述界面信息交换模块包括两个子模块，一是变形传递子模块，该子模块将耦合面上结构侧节点位移转换为耦合面上流体侧单元的位移，以实现流体域边界运动；二是是荷载传递子模块，将导叶耦合面上流体侧流体单元应力转换为导叶耦合面上结构侧有限元节点的节点力。

6.根据权利要求1所述的水轮机活动导叶振动特性预测方法，其特征在于：所述步骤（5）中的收敛条件是指在该时间步内，上一迭代步求出的结构位移与下一步迭代步求出的结构位移差值的模除以下一步求出的结构位移值的模小于10^-4，则认为满足收敛条件，停止该时间步内的迭代，转到下一时间步继续进行计算。