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对旋轴流风机流固耦合特性研究及其基于非线性动力学的应用

作　者: 周忠宁
导　师: 李意民
学　校: 中国矿业大学
专　业: 流体力学
关键词: 对旋轴流风机流固耦合耦合流场叶片动力特性全通道数值模拟非线性动力学
分类号: O354
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

叶轮机械的各种故障,如喘振、失速、叶片断裂等,与叶轮机械内各种流固耦合现象尤其是流体和叶轮叶片耦合有着直接的关系。因此对于叶轮机械内的非定常流场和叶片动力特性研究是流固耦合问题最重要的研究课题,对指导相关设备的设计和运行具有重要的意义。本文从实验研究、数值分析两个方面着手,以矿用对旋轴流风机为例全面分析了基于流固耦合考虑的三维流场特性与叶片动力特性,有针对性的给出了改善流场流动状况及叶片振动的方法。并在此基础上,根据对旋风机的流固耦合特性,进行了基于非线性理论的叶片振动非接触测量方法可行性研究、风机运行状态预测及故障判别等研究。本文首先通过流场试验与基于单传感器的叶片振动非接触测试试验获得了气体压力脉动信号、叶片振动信号,通过这些信号的频谱分析,揭示了对旋风机存在流场与叶片的耦合现象。其次进行了采用动力LES模型的风机全通道三维非定常流固耦合数值模拟。通过流场的实验与数值研究,得出了对旋风机耦合流场的一些非定常特征:前级转子的尾迹干扰及后级转子的势作用干扰;信号频率滑差;叶顶处压力脉动比叶跟、叶中的强烈;利用希尔伯特—黄变换对低频区域的压力脉动进行分析,发现了旋转失速、气流激振、喘振等非定常气动因素。数值模拟中揭示了叶片前缘二次流、叶片尾涡、通道涡、绕流、叶顶间隙流及间隙涡等流场固有非定常现象。针对试验与数值发现的流场叶顶区域流动复杂性,设计了叶片分离器改善叶顶部位的非定常流动,发现其对抑制对旋风机的波谷有一定作用。通过数值模拟得到了叶片表面压力分布及变形、应力等动力特性:叶片表面产生了较大的压力梯度,压力面的叶片前缘正压区域向叶片中部和后缘移动;叶片最大应力集中在根部且偏向叶片前缘,叶片根部应力受到流体质量和流动状态的双重影响;叶片的变形量变化与叶片应力变化趋势一致,随着流量的减少,变形位置由叶片顶端前缘向中部和后缘移动。为获得二级叶片更多的动力特性信息,本文首次同时将耦合流场与旋转预应力因素考虑到叶轮机械叶片的动力特性分析中。发现模态频率约10Hz的上升,模态振型发生了最大位移位置点转移、振动方向改变的状况;在叶片瞬态动力学分析中发现叶片的根部应力在较大的范围内波动。针对叶片动力特性的试验及数值模拟结果,提出了基于模态试验的叶片结构动力修改的方法,但这种方法的实际可操作性较差,同时指出在叶片设计过程中对风机叶片模态频率采用有限元分析,以避开叶片通过频率是改善叶片振动切实可行的方法。最后将级间流场的脉动时间序列信号首先进行了小波降噪处理,对叶片振动信号和降噪后的脉动信号进行相空间重构,获得了关联维、近似熵、L—Z复杂度的量化数据。发现叶片振动信号与气流脉动信号量化数据在不同工况下整体结构变化的趋势是一致的。根据对旋风机的流固耦合特性,提出了利用气动信号对风机叶片进行非接触测量与监测,并验证了这种方法的可行性;发现关联维数对失速信号是敏感的,可以用作判断风机旋转失速的特征量。同时根据量化数据与特征参数计算的结果与支持向量机结合建立了风机流场非线性系统的预测模型,进行了支持向量机的风机状态预测与诊断研究。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-9
Abstract (detailed)  9-18
1 绪论  18-37
  1.1 问题提出的背景和研究意义  18-20
  1.2 流固耦合问题的研究与发展  20-24
    1.2.1 国内外研究历史及发展  20-21
    1.2.2 流固耦合问题的研究进展  21-22
    1.2.3 流固耦合问题的研究前景  22-23
    1.2.4 叶轮机械叶片流固耦合关系与耦合模型  23-24
  1.3 流固耦合问题的数值模拟与实验研究  24-29
    1.3.1 流固耦合问题的数值模拟  24-26
    1.3.2 流固耦合问题的实验研究方法  26-29
  1.4 流固耦合信号研究方法  29-35
    1.4.1 流固耦合信号分析处理方法  29-33
    1.4.2 流固耦合信号分析中非线性理论概述  33-34
    1.4.3 流固耦合信号分析中支持向量机理论概述  34-35
  1.5 本文研究主要内容  35-36
    1.5.1 课题来源  35
    1.5.2 论文主要内容  35-36
  1.6 本章小结  36-37
2 实验与数值模拟研究方案  37-63
  2.1 实验方案  37-47
    2.1.1 实验装置简介  37-38
    2.1.2 风机稳态外特性的系统设计与测量  38-39
    2.1.3 风机内流场动态测量系统实验设计方法  39-40
    2.1.4 数据的采集  40-41
    2.1.5 基于单传感器的叶片振动非接触测量的实验方案  41-44
    2.1.6 叶片模态测试方案  44-47
  2.2 数值模拟方案  47-61
    2.2.1 计算流体力学理论  47-53
    2.2.2 流固耦合分析方法及使用软件选择  53-55
    2.2.3 基于流固耦合的风机三维全通道数值模拟  55-61
  2.3 本章小结  61-63
3 对旋风机流固耦合现象研究  63-76
  3.1 气流脉动与叶片振动信号测量结果  63-65
  3.2 叶片模态试验结果  65-69
  3.3 不同工况下的级间流场气动信号与叶片振动信号的分析与处理  69-72
  3.4 叶片振动与气流脉动的耦合分析  72-75
  3.5 本章小结  75-76
4 对旋风机耦合流场研究  76-126
  4.1 叶轮机械内部非定常流动  76-81
    4.1.1 叶轮机械内的叶栅损失  76-77
    4.1.2 叶轮机械中固有非定常与条件非定常流动  77-79
    4.1.3 叶轮机械分离流动理论  79-81
  4.2 耦合流场实验研究结果分析  81-103
    4.2.1 不同工况下各部位压力脉动分析  81-90
    4.2.2 同一工况下各部位压力脉动对比分析  90-93
    4.2.3 叶片顶部通道流动分析  93-97
    4.2.4 基于希尔波特-黄变换的对旋风机耦合流场信号分析  97-102
    4.2.5 小结  102-103
  4.3 基于流固耦合的对旋风机三维流场数值模拟结果分析  103-113
    4.3.1 稳态条件下的耦合流场与非耦合流场模拟结果比较  103-110
    4.3.2 瞬态条件下的耦合流场模拟结果分析  110-111
    4.3.3 对旋风机流场数值模拟与实验结果比较  111-113
    4.3.4 小结  113
  4.4 改善对旋风机小流量工况下流动失稳的实验研究  113-121
    4.4.1 叶顶间隙流动与流动失稳的关联性  115
    4.4.2 叶轮机械流动失稳的控制  115-117
    4.4.3 叶片分离器改善对旋轴流风机运行状态的研究  117-121
  4.5 试验结果及分析  121-124
  4.6 本章小结  124-126
5 对旋风机叶片流固耦合动力特性研究  126-143
  5.1 叶片表面压力面与吸力面模拟结果比较  126-129
  5.2 叶片应力分析  129-131
  5.3 叶片变形分析  131-132
  5.4 考虑旋转预应力与耦合流场压力下的二级叶片动力分析  132-137
    5.4.1 叶片流固耦合动力特性分析理论  133
    5.4.2 考虑旋转预应力和耦合作用的模态计算及分析  133-137
  5.5 基于试验模态的叶片共振频率动力修改初步研究  137-142
    5.5.1 叶片结构动力修改的基本理论  137-138
    5.5.2 叶片动力修改的初步研究  138-139
    5.5.3 叶片设计过程中对共振频率的预测  139-142
  5.6 结论  142-143
6 基于非线性动力学的流固耦合特性应用研究  143-175
  6.1 基于小波分析的压力脉动信号去噪处理  144-148
    6.1.1 实验信号中噪声与去噪处理方案  144-145
    6.1.2 小波去噪中阈值与小波母函数的选取  145-146
    6.1.3 压力脉动信号小波去噪结果  146-148
  6.2 基于气体压力脉动信号的对旋风机叶片非接触间接测量的可行性研究  148-162
    6.2.1 对旋风机流场气体压力脉动信号与叶片振动信号的相空间重构  149-153
    6.2.2 对旋风机流场气体压力脉动信号与叶片振动信号关联维分析  153-161
    6.2.3 基于气体压力脉动的风机叶片的非接触测量分析方法  161-162
  6.3 基于关联维数的风机失速特征研究  162-163
  6.4 基于非线性动力学与支持向量机的对旋风机状态预测与故障诊断  163-174
    6.4.1 基于支持向量机的非线性预测  164-171
    6.4.2 支持向量机用于风机状态诊断的研究  171-174
  6.5 小结  174-175
7 总结与展望  175-178
  7.1 全文工作总结  175-177
  7.2 研究展望  177-178
参考文献  178-188
作者简历  188-190
学位论文数据集  190

对旋轴流风机流固耦合特性研究及其基于非线性动力学的应用

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