基于動(dòng)邊界LES的離心泵非穩(wěn)定流固耦合及振動(dòng)特性研究

非穩(wěn)定的流固耦合作用易導(dǎo)致泵的強(qiáng)烈振動(dòng)，影響泵機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。本項(xiàng)目對(duì)離心泵偏工況運(yùn)行區(qū)域全流道內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)進(jìn)行了精確的DES（LES/RANS混合湍流模型）數(shù)值模擬，采用統(tǒng)計(jì)法和快速傅立葉變換方法全面地分析了由動(dòng)靜干涉引起的壓力脈動(dòng)特性，獲得了壓力脈動(dòng)強(qiáng)度分布特性和壓力脈動(dòng)頻域特性，掌握了不穩(wěn)定流動(dòng)激勵(lì)頻率特性。建立了動(dòng)邊界法的非穩(wěn)定流固強(qiáng)耦合預(yù)測方法，研究了離心泵極端工況下的流固耦合作用，獲得了離心泵在啟動(dòng)過程的高溫高壓動(dòng)力學(xué)特性，同時(shí)也建立了在有無空化條件下的離心泵流固強(qiáng)耦合高精度、高可靠性數(shù)值預(yù)測方法，獲得了泵內(nèi)非定常流固耦合作用下內(nèi)流與結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)特性。搭建了離心泵外特性、壓力脈動(dòng)和振動(dòng)測量的開式試驗(yàn)臺(tái)，應(yīng)用動(dòng)態(tài)壓力傳感器、加速度傳感器采集離心泵不穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)及空化發(fā)展過程中泵進(jìn)出口處壓力脈動(dòng)信號(hào)和蝸殼壁面上的不同測點(diǎn)振動(dòng)信號(hào)，揭示了離心泵不穩(wěn)定流動(dòng)作用下的非定常流固耦合機(jī)理。對(duì)比分析了水力部件不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)與結(jié)構(gòu)變形之間的關(guān)系，為有效地控制離心泵偏工況非穩(wěn)定流固耦合振動(dòng)提供了解決方法。本項(xiàng)目的研究對(duì)離心泵非穩(wěn)定流動(dòng)的流固耦合數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，準(zhǔn)確獲得泵內(nèi)部壓力脈動(dòng)和流體結(jié)構(gòu)的流固耦合特性，具有重要的理論與學(xué)術(shù)價(jià)值，同時(shí)在工程應(yīng)用領(lǐng)域具有借鑒意義。 發(fā)表項(xiàng)目號(hào)標(biāo)注論文23篇，其中SCI論文檢索13篇，EI論文檢索7篇。出版學(xué)術(shù)專著2本。申請(qǐng)發(fā)明專利19項(xiàng)，其中發(fā)明專利授權(quán)14項(xiàng)，發(fā)明專利受理5項(xiàng)。申請(qǐng)軟件著作權(quán)1件。獲省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)，三等獎(jiǎng)2項(xiàng)，獲鎮(zhèn)江市政府論文專著特等獎(jiǎng)，獲亞洲流體機(jī)械青年科學(xué)家獎(jiǎng)。舉辦國際學(xué)術(shù)會(huì)議3次，參會(huì)人數(shù)超過1000人。受邀國際學(xué)術(shù)會(huì)議大會(huì)報(bào)告2次，國內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議大會(huì)報(bào)告1次。參加國際學(xué)術(shù)會(huì)議12人次。培養(yǎng)博士研究生7名，畢業(yè)4名，在讀3名，培養(yǎng)碩士研究生12名，畢業(yè)8名，在讀4名。超額完成項(xiàng)目指標(biāo)。

離心泵在非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部流動(dòng)呈現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定性，非穩(wěn)定的流固耦合作用將導(dǎo)致泵的強(qiáng)烈振動(dòng)，是影響泵機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵科學(xué)問題。由于流固耦合多學(xué)科交叉的復(fù)雜性，對(duì)離心泵偏工況不穩(wěn)定流動(dòng)作用下流固耦合機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚屬空白。本項(xiàng)目將基于動(dòng)邊界LES方法對(duì)離心泵非穩(wěn)定流固耦合及振動(dòng)特性開展研究。采用LES方法對(duì)離心泵偏工況不穩(wěn)定流場進(jìn)行精確數(shù)值模擬，揭示流態(tài)及壓力脈動(dòng)特性，掌握不穩(wěn)定流動(dòng)激勵(lì)頻率特性；建立動(dòng)邊界LES非穩(wěn)定流固強(qiáng)耦合預(yù)測模型，解決耦合計(jì)算的精度、穩(wěn)定性、收斂性及計(jì)算效率等瓶頸問題；采用電渦量振動(dòng)測量系統(tǒng)開展水力振動(dòng)試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)LES層面流固耦合計(jì)算的驗(yàn)證；采用基于小波變換的時(shí)頻域聯(lián)合分析，揭示非穩(wěn)定流固耦合規(guī)律及振動(dòng)特性；研究水力部件主要幾何參數(shù)與流固耦合作用間的關(guān)系，初步提出離心泵偏工況非穩(wěn)定流固耦合振動(dòng)控制方法。本項(xiàng)目對(duì)提高離心泵運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要的學(xué)術(shù)和工程價(jià)值。

本項(xiàng)研究將利用分析、數(shù)值以及實(shí)驗(yàn)測量等方法研究耦合熱邊界層從定常層流向非定常周期性流動(dòng)的演化以及相應(yīng)的傳熱。主要研究內(nèi)容為：基于完成不同控制參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析和認(rèn)識(shí)瞬態(tài)耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的基本流動(dòng)結(jié)構(gòu)；理解耦合熱邊界層不穩(wěn)定流動(dòng)形成機(jī)制以及垂直壁兩側(cè)不穩(wěn)定流動(dòng)的相互作用；研究耦合熱邊界層從定常層流到非定常周期性流動(dòng)演化對(duì)控制參數(shù)的依賴，以期獲得臨界瑞利數(shù)與其它控制參數(shù)的定量關(guān)系；研究耦合熱邊界層內(nèi)流，外流及混合流的傳熱對(duì)流動(dòng)控制參數(shù)的依賴關(guān)系。本項(xiàng)研究獲得的成果可以補(bǔ)充和擴(kuò)展流動(dòng)耦合效應(yīng)方面的流體力學(xué)知識(shí)和概念，并可進(jìn)一步應(yīng)用到實(shí)際工業(yè)儀器設(shè)備的設(shè)計(jì)中，為其提供設(shè)計(jì)思路。

控制壁面?zhèn)鳠嵝适窃S多工業(yè)設(shè)備和工程實(shí)踐的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，而國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對(duì)壁面兩側(cè)耦合熱流動(dòng)等重要工程問題的研究依然薄弱。本項(xiàng)基金利用尺度分析，直接數(shù)值模擬以及實(shí)驗(yàn)測量等方法開展了壁面一側(cè)和兩側(cè)耦合流動(dòng)的研究。在該項(xiàng)基金的實(shí)施過程中，已在控制參數(shù)對(duì)熱邊界層對(duì)流以及傳熱影響研究上取得若干實(shí)質(zhì)進(jìn)展。研究結(jié)果表明兩側(cè)耦合熱邊界層流動(dòng)可從定常向非定常演化，且該演化過程與瑞利數(shù)和普朗特?cái)?shù)等控制參數(shù)有關(guān)，得到了主要的流動(dòng)和傳熱的定量依賴關(guān)系式。此外，也獲得了復(fù)雜幾何形狀壁面的一側(cè)熱對(duì)流的流動(dòng)和傳熱的定量刻畫。以上的研究成果可補(bǔ)充現(xiàn)有流體力學(xué)知識(shí)的缺失，也為進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性設(shè)計(jì)思路。研究成果的一部分已分別在國內(nèi)外重要的學(xué)術(shù)會(huì)議上進(jìn)行了交流，并已發(fā)表多篇高水平期刊研究論文（10篇SCI和4篇EI期刊論文，見研究成果）。 現(xiàn)有的研究進(jìn)展表明該項(xiàng)基金的研究目標(biāo)和任務(wù)已順利完成。

微懸臂梁傳感器在流體中振動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生流固耦合振動(dòng)現(xiàn)象，具體表現(xiàn)為：其諧振頻率受流體影響強(qiáng)烈，且影響程度無法用經(jīng)典振動(dòng)理論解釋，并表現(xiàn)出 “尺度效應(yīng)”。這一現(xiàn)象給以微懸臂梁傳感器為工具的定量研究帶來了較大困難。本項(xiàng)目以沉浸于流體環(huán)境中的薄板型微懸臂梁傳感器為研究對(duì)象, 建立了考慮“尺度效應(yīng)”的微懸臂梁傳感器二維流固耦合理論模型，提出了基于等效參數(shù)提取的簡化數(shù)值求解方法，并通過實(shí)驗(yàn)論證了理論模型的有效性和準(zhǔn)確性，同時(shí)分析了諧振頻率與粘性流體之間的關(guān)系及其 “尺度效應(yīng)”。研究表明作為影響浸于流體環(huán)境中的微懸臂梁頻率響應(yīng)特性的主要因素，流固耦合作用將使微懸臂梁振動(dòng)各階模態(tài)諧振頻率值及振動(dòng)幅值顯著降低，且隨著微懸臂梁厚度的減小或長寬比的增大，這種影響的程度將隨之增強(qiáng)，同時(shí)在尺寸效應(yīng)及邊界滑移條件的影響下，流固耦合作用對(duì)微懸臂梁頻率響應(yīng)的影響將出現(xiàn)一定程度的減弱。 2100433B