水轮机转轮工作过程中的流固耦合分析

流固耦合现象的力学分析流固耦合现象是指在流体与固体互相作用下产生的力学现象。

它在许多实际问题中都扮演着重要的角色，例如河流冲刷、风力发电机叶片受到的风压力、飞机机翼与空气的相互作用等。

在物理学中，我们可以通过一系列定律来分析流固耦合现象，并通过实验来验证我们的理论。

首先，流固耦合现象的分析离不开连续介质力学定律。

连续介质力学是物质运动的宏观力学理论，它假设物质是连续的，并考虑了宏观尺度上的平均效应。

其中最基本的定律是质量守恒定律和动量守恒定律。

质量守恒定律指出，在任何物理过程中，质量是守恒的。

具体到流固耦合现象中，我们可以通过实验来验证这一定律。

例如，我们可以设计一个容器，将含有某种流体的管道与固体结构相连接。

通过流体在管道中的流动，我们可以测量流体的质量，并与实验前后的质量进行比较。

如果质量守恒定律正确，那么我们应该得到相同的结果。

动量守恒定律则描述了物体上力的作用和物体运动之间的关系。

在流固耦合现象中，我们需要考虑流体和固体之间的相互作用力。

在实验中，我们可以通过建立一个闭合系统来验证动量守恒定律。

具体来说，我们可以设计一个装置，其中一个部分是由流体构成的，另一个部分是由固体构成的。

通过观察流体和固体之间的相互作用力，我们可以验证动量守恒定律是否成立。

除了连续介质力学定律，流固耦合现象的分析还需要考虑流体力学和固体力学的相关定律。

在流体力学中，纳维-斯托克斯方程是最基本的定律之一。

该方程描述了流体在不同条件下的运动。

我们可以通过使用带有适当边界条件的纳维-斯托克斯方程来分析流固耦合现象。

例如，我们可以考虑一个水流经过一个固体结构的情况。

我们可以通过实验来观察水流的流速和固体结构上的压力分布，并将这些观察结果与纳维-斯托克斯方程的解进行比较，以验证该定律的准确性。

在固体力学中，弹性力学定律是重要的分析工具。

弹性力学定律描述了固体在受到外力作用下的变形行为。

对于流固耦合现象，我们需要考虑固体结构受到流体力作用引起的变形。

混流式水轮机转轮流场单向双向流固耦合数值的分析比较研究论文混流式水轮机转轮流场单向双向流固耦合数值的分析比较研究论文由于流固耦合问题考虑到流体和结构之间存在的相互作用的特性，既涉及流体域求解又涉及固体域求解，使得计算结果更接近物理现象本身的规律，近年来在水轮机虚拟设计、仿真及振动特性分析中应用得越来越广泛和深入。

目前，流固耦合的求解问题有顺序单向耦合(后文均用单向耦合表述)和迭代双向耦合(后文均用双向耦合表述)。

梁权伟等运用单向耦合的方法进行了三维旋转流动所产生的水压力作用下转轮体的静强度特性分析及转轮在水介质中的模态分析，陈香林等计算并分析了应力刚化及流体压缩性对混流式水轮机叶片动力特性的影响，张双全、李海亮等运用ANSYS-CFX软件进行了转轮应力、位移等力学特性计算和分析。

由于单向耦合只考虑流体压力对于结构场的影响，不考虑结构场对流场的影响，计算结果在原理上存在误差。

近几年，随着流固耦合技术和计算机软、硬件技术的发展，双向流固耦合算法研究及应用逐渐引起学者的重视。

在水力机械双向流固耦合计算方面，目前可查文献还较少，张立翔等利用广义变分原理进行了水轮机叶片双向流固耦合模态分析，计算的模态频率与试验测试值基本吻合，H Schmucker等借助AN?SYS-CFX软件计算了低水头水轮机转轮叶片单向耦合和双向耦合问题，发现转轮刚度对计算结果的一致性影响很大，肖若富等通过对流体方程和结构方程的双向迭代分析了水轮机转轮在双向耦合下的应力特性，得出转轮变形量大小是单、双向耦合计算结果差别的重要因素的结论。

本研究结合某小型水电站水轮机建立精确的蜗壳、转轮、尾水管流道模型，进行低水头低转速和高水头高转速两种工况下单、双向流固耦合计算对比，并对计算结果进行分析。

1 流固耦合理论通常流体流动的守恒定律包括质量守恒、动量守恒、能量守恒，对于一般不考虑能量传递的水轮机内部水流运动可以用如下质量守恒方程和动量守恒方程来描述。

机械工程中的流固耦合问题分析与优化研究引言机械工程是现代工业中的重要学科，涉及到各种机械装置的设计和制造。

在机械装置中，流固耦合问题是一个关键的研究领域。

流固耦合问题指的是流体与固体之间的相互作用，即流体对固体的力和固体对流体的边界情况。

这种相互作用对于机械装置的设计和性能优化都有重要影响。

流固耦合的原理流体与固体之间的相互作用是通过牛顿第三定律而产生的。

流体对固体施加力，固体同时对流体施加力，这种相互作用会导致机械装置的振动、变形和损坏等问题。

因此，对流固耦合问题的研究和优化是机械工程领域的一个重要课题。

流固耦合问题的分析为了更好地理解流固耦合问题，我们需要进行详细的分析和研究。

首先，我们可以通过实验和数值模拟来观察和分析流固耦合现象。

在实验中，我们可以使用流体力学实验设备，例如风洞或水槽，观察流体对固体的影响。

同时，数值模拟方法如CFD（Computational Fluid Dynamics）也可以提供对流固耦合问题的详细分析。

通过在计算机上建立数学模型，并使用计算流体力学软件进行模拟，我们可以观察和分析不同条件下流体与固体之间的相互作用。

在分析流固耦合问题时，我们还需要考虑其他因素，如材料的性质和结构的特点。

不同的材料对流体的响应和承受能力不同，因此在优化设计中需要选择合适的材料。

此外，结构的特点也会影响流固耦合问题。

例如，在飞机设计中，机翼的形状和结构会对气流的流动产生影响，同时也会受到气流的作用力。

流固耦合问题的优化研究对于流固耦合问题的优化研究，我们可以考虑采用多种方法，并结合实验和数值模拟的结果。

首先，我们可以通过改变机械装置的结构和材料，来减小流固耦合问题的发生。

例如，在风力发电机设计中，可以通过改变叶片的形状和材料来减小风对叶片的影响。

其次，我们可以利用优化算法，如遗传算法或粒子群算法，来寻找最佳设计方案。

通过优化算法，我们可以找到最佳材料和结构参数，以最小化流固耦合问题的发生。

新型冷却塔用水轮机流固耦合计算与分析摘要：科技在不断的发展，社会在不断的进步，为研究一种新型冷却塔用水轮机结构的稳定性，通过双向流固耦合计算，分析水轮机桨叶在稳定运行时的应力变化及变形，揭示了固体叶轮应力分布与水体压力分布的规律。

结果表明，该水轮机的转轮叶片应力分布均匀，且叶片的总变形主要发生在叶片出水边侧；叶片动应力主频、变形主频与叶片通过频率相吻合，可知叶轮结构的动静干涉引起的波动是造成叶片动应力波动及总变形变化的主要原因之一。

关键词：冷却塔；水轮机；流固耦合；应力；变形引言冷却塔循环水系统的富余能量往往白白浪费，如何将其“变废为宝”？由江苏河海嘉裕节能科技有限公司与河海大学组成的研发团队经过自主研发，将水的动能收集转化为机械能作为风机的动力源，成功研制出替代传统电机驱动风机的高效水轮机，为工业领域节能减排提供强力支撑。

日前，该研究通过由中国石油和化工联合会组织的科技成果鉴定。

以往冷却塔冷却时所用的风机均由电动机带动，所耗电能巨大；而冷却塔冷却的循环水出口具有一定压力，这部分压力都被浪费掉。

本项目研制的系列高效水轮机，利用循环水系统的富余压力，推动水轮机转轮，带动风机旋转，达到降温目的，从而实现废能利用与降耗减排。

1新型水轮机的结构及参数1.1整机结构和三维模型某冷却塔内部代替电机驱动风机的水轮机设计转速为136r/min、流量2000m3/h、水头5m、比转速90.0346，桨叶29个，导叶14个，其具有结构特殊的轴向环状出水蜗壳。

该超低比转速水轮机由导水结构、转轮结构、尾水管结构构成。

其中，导水结构包含蜗壳引水管、蜗壳、导叶组成的座环；转轮结构包含桨叶组成的转轮、转轮轴、上冠、下盖等；尾水管结构包括尾水管和尾水连接管等。

这种水轮机采用圆形和椭圆形断面下端开口的特型蜗壳，水流从蜗壳进口横向流入，通过蜗壳下端的圆环状出口轴向流入导水叶栅，经导水叶栅作用变成圆环状轴向螺旋出水，再进入与之匹配的转轮桨叶栅做功，最后乏水通过尾水管机构流出，进入冷却塔设置的布水管内。

涡轮机械中的流固耦合分析与优化研究导言：涡轮机械是一类重要的能量转换装置，广泛应用于航空航天、发电和工业生产等领域。

在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合是一个重要的研究方向。

本文将探讨涡轮机械中流固耦合的分析方法和优化策略，以及其对涡轮机械性能的影响。

第一部分：流固耦合的基本概念流固耦合是指在涡轮机械中，流体和固体之间存在相互作用和相互影响的现象。

涡轮机械的工作原理是通过流体对叶片的冲击和推动，将流体的动能转化为机械能。

流体在经过叶轮时会对叶片施加压力和力矩，而叶片的形状和材料也会对流体流动产生影响。

第二部分：流固耦合分析方法在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合分析是不可或缺的一步。

目前常用的流固耦合分析方法主要有数值模拟和实验测试两种。

1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过建立涡轮机械的数学模型，利用计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）等数值方法，对流体流动和固体结构进行模拟和计算。

数值模拟方法具有较高的计算精度和灵活性，可以快速预测涡轮机械的性能和优化方案。

2. 实验测试方法实验测试方法通过搭建实验装置，对涡轮机械进行实际测试和观测。

主要包括流量测量、压力测量和叶片振动等实验内容。

实验测试方法能够直接获取涡轮机械的性能参数和工作状态，但成本较高且受环境和设备的限制。

第三部分：流固耦合的优化策略流固耦合分析的目标是寻找涡轮机械的最佳设计和工作参数，以提高效率和可靠性。

在优化过程中，可以对叶轮的形状、材料和叶片间隙等关键参数进行调整。

1. 叶轮形状优化通过数值模拟和实验测试，可以对叶轮的形状进行优化。

优化的目标是使得流体在叶轮上的流动更加顺畅和均匀，减小流体对叶片的阻力和损耗。

2. 叶片材料优化叶片材料的选择对流固耦合分析结果和涡轮机械性能有着重要影响。

优化的目标是选择具有良好耐高温、抗腐蚀和高强度等特性的材料，以提高叶片的寿命和可靠性。

3. 叶片间隙优化叶片间隙是流体通过叶轮时产生的一种非理想流动状态。

收稿日期：2014-08-12基金项目：国家自然科学基金重点项目（51339005）；国网新源控股有限公司科技项目KJ （2013）267号。

作者简介：阚阚（1990-），男，博士研究生，研究方向：水力机械优化设计及运行稳定性流固耦合分析。

基于流固耦合的混流式水轮机转轮强度分析阚阚1，郑源2，3，赵连辉4，乔木4，张策4，尉青连4（1.河海大学水利水电学院，江苏南京210098；2.河海大学水资源高效利用与工程安全国家工程研究中心，江苏南京210098；3.河海大学能源与电气学院，江苏南京211100；4.国网新源控股有限公司白山发电厂，吉林132000）摘要：对我国东北某大型混流式水轮机在设计水头不同工况的转轮强度进行了单向流固耦合计算，采用CFD 软件CFX ，计算得到各工况流场中叶片表面的水压力，借助ansys workbench 平台，将其作为结构面载荷加载到叶片上，得到各工况下转轮的静应力分布及变形情况。

研究结果表明：转轮静应力最大值随着流量的升高而增大，且均出现在叶片出水边连接上冠位置附近；转轮最大变形量随着流量的升高而增大，最大变形量出现在下环位置。

研究结果为混流式水轮机结构设计及安全运行提供了有效依据。

关键词：混流式水轮机；流固耦合；静应力；强度分析中图分类号：TK733+.1文献标识码：A文章编号：1672-5387（2015）02-0009-04DOI：10.13599/ki.11-5130.2015.02.0031引言近年来，国内外一系列水力机组频繁发生振动和转轮叶片裂纹问题，严重影响了机组的安全稳定运行和经济效益。

随着流固耦合技术的飞速发展，很多学者对水力机械进行了基于流固耦合的应力特性研究。

肖若富等[1-2]对混流式水轮机全流道流场进行了CFD 计算，采用顺序流固耦合方法得到了转轮最大静应力与水轮机功率的线性关系。

张新[3]等运用单向流固耦合的方法对轴流泵叶轮强度进行分析。