当前课程知识点：流体机械基础 > 第11讲 流体机械多场耦合 > 11.1 流体机械多场耦合特性概述 > Video
同学们好
今天我们来学习第十一讲
流体机械多场耦合
之前我们学习了流体机械中的
各种流动现象及流动特性
但在流体机械中
除了流场 还存在结构应力场
温度场 电磁场等等
本讲内容 我们学习
流体机械多场耦合的概念
并重点理解一下
转轮的流固耦合特性
和轴承的流固耦合特性
最后讨论更为复杂的
轴系多场耦合特性
流体机械中存在着多个物理场
通常比较关心的有流场
也就是流道内流体的流动
第二个是结构场
结构受力变形
结构内部产生应力
应变和位移场
第三个是电磁场
流体机械与发电机组直接相连
转子会受到电磁场带来的作用
并且轴系的旋转速度
就是由磁力矩和水力矩
来共同决定的
当磁力矩和水力矩相互平衡时
轴系匀速旋转
当两个力矩不平衡时
转速就会发生变化
因此 电磁力矩和不平衡磁拉力
是轴系分析中重要的力源
第四个是温度场
温度场的变化
是由多个因素共同决定的
一个是由于流场中的水力损失
引起的温度变化
第二个结构的变形
也会对温度产生影响
第三是在电磁场中
由于电流流过而引起
结构温度场的变化
第四个是由于轴承中的
油膜和水膜都存在非常大的
摩擦力和压差力
也会导致温度场的变化
流体机械中的各个物理场之间
都是相互作用
相互影响的
任何物理场都不是单独存在的
比如流场产生的压力
会导致结构的变形
结构的变形反过来
也会改变流场的边界条件
温度场也是一样
会由于流场 结构场
电磁场的影响而变化
反过来温度场的变化
都会影响其他场的特性
多场耦合就是多个物理场
相互影响 相互耦合
其非线性
非定常耦合特性的理解与控制
正是流体机械
热切追求的研究方向
下面我们针对具体的
结构对象来理解一下
首先是水轮机的转轮
转轮运行过程中
涉及流体的流场
和结构场之间的耦合
内部流动所产生的
压力脉动载荷作用在转轮结构上
使之产生自激振动或强迫振动
结构振动反过来
又对流场产生影响
从而形成了典型的
转轮流固耦合问题
目前我们也正在对
转轮中流体的水力损失
引起的温度场变化
进行相关的研究
事实上 水力损失确实引起了
温度场的变化
但因水流的流动特点
转轮和水体温度变化很小
下面再来看一下轴承
大型水轮发电机组的
通常由发电机导轴承
水导轴承 推力轴承等
多个滑动轴承支撑
通过润滑油膜
转子和轴承相互作用
加上摩擦造成的油膜
内部的温度梯度
而形成了流场 结构场
温度场三场耦合的系统
在以往对轴承简单的计算中
往往是认为轴承座是没有变形的
通过给定轴系的运动轨迹线
来计算油腔内 油膜随时间的变化
也不考虑或通过简单计算方法
来考虑热应力和热变形
实际上 这样的计算
其边界条件与实际情况相差较大
所得到的结果误差也比较大
这种理想化之后的
物理模型是不真实的
因此 我们提倡用热弹流耦合的方法
来进行耦合计算
目的就是使计算的结果
与实际的工作状态更加接近
所取得边界条件
与实际的工作状况更加吻合
那么水轮机的轴系
也就是机组的转动部分
主要包括转轮及其下面的泄水锥
水轮机主轴 发电机下轴端
发电机上轴端 发电机转子等
在转轮水力激励力
发电机电磁拉力
机械不平衡力
轴承油膜力以及热应力耦合作用下
使得轴系同时受到流场 结构场
电磁场以及温度场的耦合作用
然而
与分析单个物理场相比
多场耦合的分析要复杂的多
通常很难通过实验方法
和纯数学模型
理解各参数的耦合影响
随着计算机计算能力的不断提高
和数值模拟算法的不断完善
数值计算方法已经成为了
多场耦合分析的主要工具
可以基本满足对
多物理场的求解需要
一般来讲
我们对某个问题的简化程度越低
换句话说耦合程度越高
则对问题的描述越接近物理真实
但是相应的
计算量也会大大增加
比如在汽轮机 燃气轮机
压缩机等以气体为介质的
流体机械中
一般提到的是热流固耦合
这是因为气体的温度变化比较大
温度变化会对整个物理场
产生较大的影响
但考虑温度场会导致
计算量急剧增加
计算的时间成本也会增加
在水力机械中
温度场的变化对转轮流场
结构场的作用很小
因此我们通常忽略温度场的变化
对于转轮 只考虑流固耦合的作用
但如果要分析水力损失
引起的能量损耗
则必须计算转轮内
水流温度场的变化
-1.1 流体机械定义
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-1.2 流体机械分类
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-1.3 水轮机工作过程概述
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-1.4 泵与风机工作过程概述
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-1.5 其他流体机械工作过程概述
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-1.6 流体机械工程应用
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-参考文献
--html
-第一讲习题--作业
-2.1 流体机械的主要性能参数
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-2.2 转轮内部的典型流态
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-2.3 速度三角形
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-2.4 工况发生变化时速度三角形分析
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-2.5 欧拉方程
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-参考文献
--html
-第二讲习题--作业
-3.1 水轮机过流部件工作原理
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-3.2 泵与风机过流部件工作原理
--Video
-3.3 机组能量传递过程与效率分析
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-3.4例题分析
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-参考文献
--html
-第三讲习题--作业
-4.1 空化的定义与分类
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-4.2 空化余量与空化系数
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-4.3 吸出高度与安装高程
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-4.4 空蚀现象与类型
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-4.5 空化空蚀的危害及防护
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-参考文献
--html
-第四讲习题--作业
-5.1 泥沙磨损基本概念
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-5.2 泥沙磨蚀基本概念
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-5.3 流体机械磨损磨蚀现象
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-5.4 流体机械常见抗磨措施
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-5.5 腐蚀基本概念
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-5.6 流体机械腐蚀现象及防腐措施
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-参考文献
--html
-第五讲作业--作业
-6.1 流动相似概述
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-6.2 常用相似准则数
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-6.3 流体机械的相似准则分析
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-6.4 流体机械单位参数与相似换算
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-6.5 综合相似判别数——比转速
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-6.6 相似准则的工程应用
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-参考文献
--html
-第六讲作业--作业
-7.1 特性曲线概述
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-7.2 模型试验
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-7.3 典型模型机组综合特性曲线
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-7.4 水轮机运转特性曲线
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-7.5 水轮机的选型计算
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-第七讲作业--作业
-8.1 流体机械多相多组分非定常流动概述
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-8.2 二次流动现象
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-8.3 动静干涉
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-8.4 脱流
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-8.5 间隙流动
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-8.6 叶道涡
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-8.7 卡门涡
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-8.8 尾水管涡带
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-8.9 泵的旋转失速
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-8.10 泵的喘振
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-8.11 压力波传递与叠加
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-参考文献
--html
-第八讲作业--作业
-9.1 流体机械四象限特性概述
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-9.2 水泵水轮机全特性曲线
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-9.3 水泵水轮机典型工况流动现象
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-9.4 水泵水轮机调相运行工况流动现象
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-9.5 双向潮汐机组复杂运行工况认识
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-参考文献
--html
-第九讲作业--作业
-10.1 流体机械在管网系统中的工作特性
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-10.2 流体机械暂态运行过程
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-10.3 调节系统与调速器
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-10.4 改善流体机械暂态运行性能工程措施
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-参考文献
--html
-第十讲作业--作业
-11.1 流体机械多场耦合特性概述
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-11.2 转轮流固耦合特性
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-11.3 轴承热流固耦合特性
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-11.4 轴系多场耦合特性
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-参考文献
--html
-第十一讲作业--作业
-12.1 标准化概述
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-12.2 流体机械行业标准
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-12.3 水轮机型号
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-12.4 泵型号
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-12.5 风机型号
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-12.6 阀门型号
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-12.7 流体机械工业流程
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-12.8 流体机械质量监督
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-参考文献
--html
-第十二讲作业--作业
-13.1 空化、通（补）气、压力脉动与安装高程
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-13.2 压力脉动与水锤
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-13.3 智能流体机械
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-13.4 流体机械及工程学科知识体系与学术交流
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