[00362049]高水头大流量混流式水轮机叶片流激振动机理研究

该成果受国家自然科学基金重大研究计划项目“西部能源利用及其环境保护的若干关键问题(90210005)”及后续项目(50579025)的支持，以混流式水轮机叶道湍流和叶片流激振动为对象，系统地研究了高雷诺数叶道湍流与叶片相互作用诱发流激振动的力学机理、叶道旋转湍流结构的演化、叶片振动与叶片近壁流动能量交换机制等水力机械前沿性理论问题。在叶片流激振动耦合建模理论及求解方法、叶道旋转湍流特性、叶片流激振动机理等方面取得了具有创新的成果。(1)发现叶道湍流与叶片振动之间基于功率泛函的物理力学关系，将基于Eulerian的叶道流体动力学与基于Lagrangian的叶片动力学能够统一在一个以系统功率为泛函的变分体系中，获得了解除耦合系统全部约束的Lagrangian乘子，建立了描述叶道湍流-叶片相互作用的广义变分原理。提出了基于稳定型FEM求解复杂流道耦合流激振动问题的两个高效求解器，为解决混流式水轮机转轮耦合流激振动问题提供了新的理论和方法。(2)发现从叶道的进口到出口，湍流结构的生成和演化特性与导叶的开度和形成的双列叶栅绕流尾迹结构特性强烈相关，并具有规律性。在较小开度情况下，活动导叶绕流尾迹的结构特性直接影响转轮叶道中流动结构的生成与演化，携能的大尺度结构逐级演化成耗能的小尺度结构的规律强烈地受开度的影响，叶道的下部靠近下环的区域形成强烈小尺度脉动区，脉动强度可高达50%以上，这是诱发叶片局部强烈振动甚至开裂的主要原因之一。揭示了三维叶片异型近壁区流动结构分布与振动能量交换的物理力学机理。发现，对于小变形流激振动问题，在y+小于25的区域内，振动对流动结构的分布及其特性具有明显的影响，会导致近壁区湍动能大幅增加，而在y+大于25以外的区域，流动结构的分布及演化几乎不受壁面振动的影响。在一定雷诺数条件下，小振幅壁面振动与流动能量的交换仅发生在y+小于某一范围的近壁区域内，该发现对构建耦合流激振动先进数值模型具有重要理论意义。(3)发现了叶道湍流耗散结构满足的亚格子应力输运关系，采用PIV流场图像和Kulite叶片壁面压力微传感测量等先进技术进行了相关的试验研究，获得了流固耦合状态下绕流诱发结构振动以及振动结构近壁区域内流场的变化信息，揭示了结构物流激振动与流动结构演变的机制。在理论和试验研究的基础上，提出了适用于混流式水轮机叶道湍流在结构处于小变形振动情况下描述小尺度结构耗散的动态亚格子模型，为高效模拟水轮机叶道旋转湍流提供了一个先进的LES湍流模型。(4)成果在国内外期刊发表论文40篇，其中SCI收录18篇，EI收录9篇。其中20篇论文他引91次，影响因子21.725。成果经专家鉴定评价为国际先进水平。