【摘 要】
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在稳定快速发展的社会中,能源行业持续发展,诸如离心泵、水轮机组、燃气轮机、搅拌器等流体输送装置在航空工业、水利工程、海洋工程及天然气等行业中使用量越来越多,由于昂贵的能源使用费用,能源设备的安全、高效使用问题首当其冲。旋转水力机械内部流动复杂,内部存在液体产生的压力脉动导致壁面和叶轮结构振动和噪声问题。这类问题日趋严重,已成为环境问题的重要控制对象。叶轮作为流体输送装置的核心部件,其振动特性的研究
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在稳定快速发展的社会中,能源行业持续发展,诸如离心泵、水轮机组、燃气轮机、搅拌器等流体输送装置在航空工业、水利工程、海洋工程及天然气等行业中使用量越来越多,由于昂贵的能源使用费用,能源设备的安全、高效使用问题首当其冲。旋转水力机械内部流动复杂,内部存在液体产生的压力脉动导致壁面和叶轮结构振动和噪声问题。这类问题日趋严重,已成为环境问题的重要控制对象。叶轮作为流体输送装置的核心部件,其振动特性的研究是现如今的研究热点。大量论文已证明流体压力脉动对结构的动力学特性有所影响,流域形状和大小、叶片安放角度、流体密度等均会影响流场的压力脉动,从而造成叶轮系统动力学特性的变化。为了研究旋转机械叶轮动力学特性的规律,本文以叶片泵为参照背景设计了一系列叶轮转子模型,同时可以改变不同形状流域和不同叶轮安放角度,通过数值模拟研究了不同工况下流场分布特性和流致振动动力学特性,并设计验证实验,最后建立了叶轮转子物理模型的流致振动等效模型。本文的主要研究工作及成果如下:（1）介绍了叶轮转子类机械的数值模拟技术、旋转机械的流固耦合应用技术和附加质量模型建立的研究现状,对研究现状进行归类整理并结合研究目的制定了论文框架和技术路线。（2）应用UG三维建模软件对不同设计工况的叶轮转子进行实体建模,并采用软件Space claim完成流道的抽取,利用ANSYS Mesh网格划分工具对计算模型进行网格划分。运用Fluent流体仿真软件对叶轮转子模型不同设计工况进行全流道三维数值模拟,分析其内部流场压力分布和速度矢量分布。（3）应用ANSYS Workbench软件,对叶轮转子系统进行结构模态分析和流体的预应力模态分析。采用单向流固耦合的方法,将上述流场分析数据通过耦合面传递给叶轮转子结构并进行预应力的模态分析,得到不同设计工况下的叶轮系统的动力学特性。结果表明:叶轮系统结构的固有频率因离心力的存在而增大,在水压力的作用下固有频率将会降低但幅度较小;处于圆柱形流域的叶轮系统固有频率较方形流域要高,而随着叶片安放角度的减小而增大。（4）建立流固耦合计算的等效附加质量模型。首先以材料属性为目标量修正叶轮转子系统固体域即叶轮系统的有限元模型,再将修正后模型作为基础模型,流体压力等效为分布质量,以前四阶固有频率为目标量对分布质量进行修正,最后将等效模型运用到后续动力学分析中。
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