Nový přístup k numerické analýze vírové vodní turbíny a experimentální nverifikace

NEW APPROACH TO THE NUMERICAL ANALYSIS OF THE SWIRL WATER TURBINE AND EXPERIMENTAL VERIFICATION

conference paper

en

This paper is focused on the nonlinear analysis of the dynamic behavior of a fluid-structure interaction. The innovative mathematical model presented here includes a new type of boundary condition and allows modal analysis and the steady state or the unsteady responses. Our new method is based on the determination of boundary condition by defining special convolutory integrals for the fluid velocity and the pressure and their expansion into the series of eigenmodes of a structure vibration. This approach allows the separation of the structure and the fluid from each other. We applied this method to analyze the modal behavior of a swirl turbine, using the ANSYS and FLUENT program systems. The added mass, damping coefficients were calculated as influence of a fluid and structure interaction. These added effects were combined with an elastic rotor system. Several experimental investigations were made in parallel to the calculation models. The computational analyses and the experimental results show relatively good agreement. Our calculation method can find many technical applications, e.g. the solution of blades or rotors vibrations in centrifugal pumps or water turbines

Dynamické vlastnosti rotorových soustav rotačních hydraulických strojů jsou ovlivněny interakcí hřídele s okolním prostředním. Zejména u vodních turbin a čerpadel má interakce s tekutinou zásadní vliv na frekvenčně modální vlastnosti. V případě numerické analýzy s využitím komerčně dodávaných řešičů např. ANSYS a FLUENT je výpočtová analýza značně časově náročná. Pro výpočet je nutné mít k dispozici dvě sítě, jedna se aplikuje na kontinuum a druhá na tekutinu. Zahrnutím interakce se úloha stává nelineární. V současné době se prování řešení ve frekvenční, nebo časové oblasti. V příspěvku je uveden nový přístup k řešení, který umožňuje vzájemně separovat kontinuum a tekutinu. Základem řešení je rozvoj podle vlastních tvarů kmitání kontinua. V prvním kroku řešení vázané úlohy se provede analýza samostatného kontinua, kterým je v tomto případě hřídel. Výsledkem jsou frekvenčně modální vlastnosti. V obecném případě při zahrnurí velkých posuvů a přetvoření je vstupním parametrem zvolená poloha kontinua. Druhým krokem výpčotového modelování je analýza samostatného tekutinového systému. Okrajové podmínky v místech kde dochází ke kontaktu s tělesem jsou závislé na zvoleném tvaru kmitání. Vstupním parametrem je zvolená poloha hranice, která opět závisí na zvoleném tvaru kmitání. Výsledkem je rychlostí a tlakové pole. Posledním krokem výpočtového modelování je analýza kontinua se zahrnutímm tekutiny. V případě aplikace výpočtového systému ANSYS je základem pro analýzu metoda konečných prvků. Tekutinový systém se do řešení zahrne ve tvaru přídavných matic tuhosti, tlumení a hmotnosti. Tyto přídavné matice jsou sestaveny na základě výsledků z předchozí analýzy tekutiny, tedy ze známého rychlostního a tlakového pole. Protože se jedná o nový přístup k řešení, bylo nutno provést jeho testování. Pro tento případ byla zvolena úloha kmitání jenostranně vetknutého prutu ve vodě. V příspěvku bude ucedeno srovnání výpočtové analýzy s experimentem. Softwarové zpracování bylo provedeno v programovém prostředí MATLAB.

This paper is focused on the nonlinear analysis of the dynamic behavior of a fluid-structure interaction. The innovative mathematical model presented here includes a new type of boundary condition and allows modal analysis and the steady state or the unsteady responses. Our new method is based on the determination of boundary condition by defining special convolutory integrals for the fluid velocity and the pressure and their expansion into the series of eigenmodes of a structure vibration. This approach allows the separation of the structure and the fluid from each other. We applied this method to analyze the modal behavior of a swirl turbine, using the ANSYS and FLUENT program systems. The added mass, damping coefficients were calculated as influence of a fluid and structure interaction. These added effects were combined with an elastic rotor system. Several experimental investigations were made in parallel to the calculation models. The computational analyses and the experimental results show relatively good agreement. Our calculation method can find many technical applications, e.g. the solution of blades or rotors vibrations in centrifugal pumps or water turbines

interakce těles s tekutinou, metoda konečných prvků, přídavná hmotnost, přídavné tlumení, přídavná tuhost

Fluid-structure interaction, Finite element method, Boundary condition method, Added, mass, damping, stiffness

2010

09.09.2010

KIST Seoul

Seoul, Korea

978-89-5708-187-7

IFToMM Rotordynamics 2010

1–8

8