[发明专利]一种水轮机活动导叶振动特性预测方法

摘要

本发明涉及一种水轮机活动导叶振动特性预测方法，属于水力机械及其系统耦合模拟技术领域。利用设计工况流量作为流体计算的进口边界条件，求得导叶初始设计构型下的稳态流场作为流场初值条件；在一个时间步内交替调用结构计算模块和流体计算模块，满足收敛条件后，流体和结构计算整体同步向前推进；通过界面信息交换模块传递流固边界信息；输出时间历程上的结构振动位移。本发明实现导叶与流场的耦合计算，该方法准确性较以往单纯的结构动力学方法和单向耦合方法有了显著的提高，而且能够观察整个导叶振动发展过程，有利于更好地指导结构设计，使流固耦合从理论研究走上实际工程应用。

主权项

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。