[发明专利]基于流场仿真的核/火电汽轮机组流体激励数值计算方法及系统

说明书

本公开提供了一种基于流场仿真的核/火电汽轮机组流体激励数值计算方法及系统，根据机组结构及运行工况，简化流体计算域，创建包含两定子叶片和三转子叶片的流道几何模型，并利用结构化网格进行离散，导入离散后的流体计算域，根据不同的流量工况，设置相变模型、湍流模型、边界条件和数值求解参数，通过流场仿真求解出不同工况下叶片表面的瞬态分布压力；对于采用三维六面体单元离散的叶片，利用反距离加权插值法和基于虚功原理的等效法，将叶片表面的瞬态分布压力等效为适用于不同叶片结构单元的流体激励；对于采用空间扭曲梁单元离散的叶片，利用虚功原理，将叶片表面的瞬态分布压力转化为叶片空间扭曲梁单元的等效流体激励。

技术领域

本公开涉及一种基于流场仿真的核/火电汽轮机组流体激励数值计算方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着核/火电汽轮机组等具有长轴系、大柔性叶片及围带等复杂结构特点旋转机械向大型、高效和高参数快速发展，其叶片转子系统承受的流体激励诱发的振动问题成为影响机组安全稳定运行的关键因素之一。流体激励主要指机组内流体与固体(叶片、转轴等)之间的相互作用力(包括流体动力对固体的作用以及固体对流场的反作用)，是与具体工质、运行参数、流道结构、转速等多变量相关的多场耦合激励力，具有强流固耦合非线性。尤其水冷堆核电汽轮机组的各级及大功率凝汽式火电汽轮机组的低压级转子，其叶片运行在湿蒸汽区，湿蒸汽非平衡凝结过程中气-液两相间温差产生的凝结激波与气动激波干涉，使流场的不均匀程度显著加剧，更加剧了流体激励的复杂程度。湿蒸汽非平衡凝结等多场耦合复杂激励等使转子系统面临更加复杂的非线性流体诱振问题。要确保机组安全稳定运行必须在机组设计和运行监测等各环节准确控制振动响应和预测判定稳定性，而其前提条件是准确确定转子系统受到的激励力。

目前动力学研究中关于激励力的获得方法主要有：1)实测：主要包括采用力传感器等在实际运行工况下整体尺寸测试获得，或实验室规模试验测试获得；2)解析或数值计算：建立合适的动力学模型，采用解析或数值方法求解，只适用于结构简单的线性系统；3)采用动力学逆问题方法进行系统激励辨识：对于无法直接测试系统激励的情况，利用系统的模态特性、输入(激励)和输出(响应)关系，已知振动响应(实测或计算)和系统模态特性(实测或计算)求解辨识获得系统的激励。但目前受试验技术的限制，尚无法直接实测整机尺度旋转叶片承受的激励力或据叶片振动响应实测数据和系统模态特性采用动力学逆问题方法辨识获得复杂流场环境的流体激励，由于柔性叶片与弹性转轴间的变形耦合非线性以及翼型预扭叶片的非对称非线性两种几何非线性和流体激励诱发的围带阻尼非线性耦合影响，目前尚无能准确求解且方便工程应用的复杂叶片-转子结构在湿蒸汽复杂流场中的流体激励力的方法。有关流场数值模拟的专利大多只是提出了可以预测设备内的空气或其他工质流体的流动情况的方法，并且存在一些明显的不足，例如公开号为107491572A的专利提出一种缸内流体仿真计算方法，专利对包围汽车发动机气缸内流体的各部件的封闭曲面建模后，进行网格划时根据气门运动参数将模型离散为动态网格模型，并设置周期瞬态边界条件，模拟曲轴转动时发动机缸内流体运动状态的变化；公开号为104268943B的专利公开了一种基于欧拉-拉格朗日耦合方法的流体仿真方法，利用基于欧拉网格的LBM方法进行流场建模，构建流体仿真的主体部分，然后利用基于拉格朗日粒子思想的SPH方法仿真诸如浪花、水珠等流体，并通过设计耦合算法整合LBM流体与SPH流体，预测仿真流域内工质流体的流动情况；上述专利均未进一步的研究给出提取流体对流体或固体的激励力的方法，且不适用于复杂转子系统。