第
37
卷第
4
期
2ω
年
7
月
河海大学学报(自然科学版)
Joumal
of
Hohai
University(
Natural
Sc
iences)
Vo
l.
37
No.
4
Jul.
2αp
001:
10. 3876/j.
issn.l
∞
0-1980.2009.04.016
考虑流固藕合的轴流式叶片强度分析
商威，廖伟丽，郑小波
(西安理工大学水利水电学院，陕西西安
71
∞
48)
摘要:以轴流式水轮机全流道三维瑞流数值计算结果为基础，分析水轮机的压力脉动;采用弹性力学
非稳态有限元法分析轴流式叶片的强度;利用弱相合技术，对固体域和流体域进行顺序迭代，并进行
了水轮机的流固搞合分析.结果表明，在水压力作用下，叶片变形的最大位移发生在叶片出水边靠近
叶片外缘处，最大应力出现在叶片上端面和法兰相接处，叶片变形对压力脉动的幅值影响明显.
关键词:轴流式叶片;非定常;有限元;弱搞合;强度
中图分类号
:TK730.2
文献标识码
:A
文章编号:
1ω0-1980(2
∞
9)04-
伺
41-05
研究表明[叫，造成水轮机转轮叶片振动疲劳断裂的原因是作用在叶片上的稳定应力和振动交变应力对
叶片材料的累计损伤造成的微裂纹和裂纹的扩展.水轮机转轮刚强度分析是降低叶片裂纹发生率，提高水力
机组运行稳定性的一种重要手段.目前，水轮机叶片刚强度分析方法主要有以下几种:
(a)
采用简化方法建立
叶片表面水压力分布的数值解析模型，将此数值模型与结构动力学方程相结合并进行刚强度分析.
(b)
对水
轮机转轮内部或者全流道内的流动进行非定常数值模拟，将得到的水压力以载荷的形式施加至叶片结构分
析的几何模型并进行刚强度分析
[5].
这种方法中的水压力传递方式对分析结果与实际相符程度有较大影响.
(c)
流固榈合的研究方法.这种方法中的流体域和固体域的计算模型以及求解过程中两域之间的信息传递方
式对分析结果的影响较大.
从理论上讲，采用
CFD
技术进行原型水轮机的非定常流动计算，可以获得较准确的压力分布信息，有利
于提高强度计算的准确性
[6].
本文对轴流式原型水轮机进行了三维非定常揣流计算，分析了水轮机流道内多
个测点的压力脉动的主要频率、幅值大小和变化规律，并在弱搞合的基础上，考虑非定常水流对叶片的影响，
对变形后的叶片重新建模后进行了非定常计算，得到了压力脉动的主要频率.
1
数值计算模型
1.1
流动分析模型
本文采用基于雷诺时均的
N-S
方程、
k-ê
紊流模型、有限体积法和非结构化网格模拟轴流式转轮通道内
的流动.
a.
流动控制方程
[7].
对于不可压勃性流体，采用连续性方程
nυ
U
ρ-
v
+
组
3
、、‘目，，，，
l
r'E
飞、
和动量方程
手+
v'
•
(ρ
U
0
U)
-
V'
• (J1
eff
V'
U)
=
V'
p +
V'
•
(J1
eff
V'
U)T + B
(2)
μeffμ+μt
k
2
μ
t
= C
p{J
ê
式中
:ρ
一一流体密度
;U
一一速度矢量
;p
一一压力
;B
一一附加项
;μeff
一一有效秸性系数
;
J1
t
一一紊流教性
系数;今一一给定常数
;
k
一一紊流脉动功能，表示紊流的速度尺度;
ê
一一紊流脉动动能的耗散率，表示紊流
收稿日期:
2
∞
8-08-27
基金项目:国家自然科学基金(佣
41
∞
19;508
仰
054)
作者简介:商威(
1981
一)
，女，黑龙江五常人，硕士研究生，主要从事水力机械研究.
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