Fluid-Structure Interaction between Structural Components of Hydraulic Turbine and Fluid Flow
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství
Abstract
Tato dizertační práce se zabývá dvěma případy interakce tělesa s tekutinou (FSI). První z nich se zabývá analýzou vzájemné interakce mezi rotorem čerpadla a kapalinou uvnitř těsnící spáry. Vliv těsnící spáry na dynamiku celého stoje je popsán pomocí dynamických parametrů, které jsou také označovaný jako přídavné účinky. V současnosti používané modely těsnících spár používají pro stanovení dynamických parametrů řadu zjednodušujících předpokladů. V této práci je prezentováno pět různých analýz dynamických parametrů těsnící spáry čerpadla na okysličovadlo. Každá z těchto pěti analýz používá jinou míru zjednodušení výpočetního modelu. V případě největšího zjednodušení je modelován pouze objem kapaliny uvnitř těsnící spáry. Nejkomplexnější analýza pro stanovení dynamických parametrů těsnící spáry používá pro výpočet model celého čerpadla s excentrickou polohou rotoru. Druhá část této dizertační práce definuje novou metodu pro řešení interakce kapaliny s pružným tělesem. Tato metoda využívá řešení inverzního problému kmitání. Přímý problém kmitání, který je také označován jako problém vlastních hodnot, používá jako vstupy pro řešení matice hmotnosti, tuhosti a tlumení, které jsou dohromady označovány jako koeficientové matice, na základě kterých je v nejobecnějším případě stanovena Jordanovská matice a také modální matice pravostranných a levostranných vlastních vektorů. Při řešení inverzního problému kmitání jsou stanoveny koeficientové matice na základě Jordanovské matice a modálních matic pravostranných a levostranných vlastních vektorů. Existují dva případy inverzního problému kmitání. V případě, že jsou známy všechny vstupní vlastní čísla a vlastní vektory, pak se jedná o tzv. plný problém. Naopak v případě, že alespoň 1 mód kmitání soustavy není znám, tak se jedná o tzv. částečný problém. V této práci je prezentováno 5 algoritmů pro řešení inverzního problému v kmitání. Nicméně pro každý typ inverzního problému kmitání je prezentován jeden univerzální algoritmus. Algoritmus pro řešení plných problémů byl poprvé prezentován v roce 1979 Otakarem Daňkem. Algoritmy pro řešení částečných problémů, které jsou prezentovány v této práci, jsou vůbec prvními algoritmy pro řešení tohoto typu inverzního problému kmitání. Univerzální algoritmus pro řešení částečných problémů je označován jako algoritmus pro řešení částečných problémů s volbou doplňkových vlastních hodnot. Aplikace těchto dvou univerzálních algoritmů pro řešení inverzního problému kmitání pro případ plných i částečných problémů je ukázána na řešení dvou případů interakce pružného tělesa s kapalinou.
This doctoral thesis deals with two cases of fluid-structure interaction (FSI). The concern of the first part is to investigate the mutual interaction between the rotor of rotating machinery and fluid within the annular seals. The effect of the annular seals on the dynamic behaviour of the whole machine is described by the rotordynamic coefficients. The current models for the determination of the rotordynamic coefficients of the annular seal use many simplifications. This thesis presents five different analyses of rotordynamic coefficients of the plain annular seal of the oxidizer pump. Each of those five analyses uses a different level of simplification. The most simple analysis models only the volume of fluid within the annular seal. And the most sophisticated analysis models fluid flow within the entire pump with the eccentric rotor. The second part of this thesis defines a new method for the solution of interaction between the fluid and flexible body. This method is based on the solution of the inverse vibration problem. The direct vibration problem, which is as well known as the eigenvalue problem, uses the mass, damping and stiffness matrices, which are collectively called ''the structural matrices'', and determines in the most general case the Jordan matrix and modal matrices of right and left eigenvectors. The inverse vibration problem is used for the definition of the structural matrices based on the Jordan matrix and modal matrices of right and left eigenvectors. The inverse vibration problems can be divided into two types. If all eigenvalues and eigenvectors are known, then it is called the full problem. On contrary, if at least one mode of vibration is unknown, then it is called the partial problem. Five algorithms for the solution of the inverse vibration problem are defined in this thesis. However, two of these five algorithms are versatile, each one for one type of inverse vibration problem. The algorithm for the solution of the full problems was presented in 1979 by Otakar Daněk. The algorithms for the solution of the partial problem, which are presented in this thesis, are the very first algorithms for the solution of this type of inverse vibration problem. And the versatile algorithm for partial problems is called the algorithm for the partial problems with the selection of additional eigenvalues. The application of these two algorithms for the solution of the inverse vibration problem for the full problems and the partial problems are demonstrated on the solution of two cases of interaction between the fluid and flexible body.
This doctoral thesis deals with two cases of fluid-structure interaction (FSI). The concern of the first part is to investigate the mutual interaction between the rotor of rotating machinery and fluid within the annular seals. The effect of the annular seals on the dynamic behaviour of the whole machine is described by the rotordynamic coefficients. The current models for the determination of the rotordynamic coefficients of the annular seal use many simplifications. This thesis presents five different analyses of rotordynamic coefficients of the plain annular seal of the oxidizer pump. Each of those five analyses uses a different level of simplification. The most simple analysis models only the volume of fluid within the annular seal. And the most sophisticated analysis models fluid flow within the entire pump with the eccentric rotor. The second part of this thesis defines a new method for the solution of interaction between the fluid and flexible body. This method is based on the solution of the inverse vibration problem. The direct vibration problem, which is as well known as the eigenvalue problem, uses the mass, damping and stiffness matrices, which are collectively called ''the structural matrices'', and determines in the most general case the Jordan matrix and modal matrices of right and left eigenvectors. The inverse vibration problem is used for the definition of the structural matrices based on the Jordan matrix and modal matrices of right and left eigenvectors. The inverse vibration problems can be divided into two types. If all eigenvalues and eigenvectors are known, then it is called the full problem. On contrary, if at least one mode of vibration is unknown, then it is called the partial problem. Five algorithms for the solution of the inverse vibration problem are defined in this thesis. However, two of these five algorithms are versatile, each one for one type of inverse vibration problem. The algorithm for the solution of the full problems was presented in 1979 by Otakar Daněk. The algorithms for the solution of the partial problem, which are presented in this thesis, are the very first algorithms for the solution of this type of inverse vibration problem. And the versatile algorithm for partial problems is called the algorithm for the partial problems with the selection of additional eigenvalues. The application of these two algorithms for the solution of the inverse vibration problem for the full problems and the partial problems are demonstrated on the solution of two cases of interaction between the fluid and flexible body.
Description
Keywords
Interakce tělesa s kapalinou, těsnící spáry, přídavné účinky, dynamické parametry, inverzní problém v kmitání, problém vlastních hodnot, konstrukční vzorce, koeficientové matice, SDOF Response Fit Method, Fluid-structure interaction, annular seals, added effects, rotordynamic coefficients, inverse vibration problem, eigenvalue problem, inverse formulas, structural matrices, SDOF Response Fit Method
Citation
HAVLÁSEK, M. Fluid-Structure Interaction between Structural Components of Hydraulic Turbine and Fluid Flow [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta strojního inženýrství. 2021.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Konstrukční a procesní inženýrství
Comittee
prof. Ing. Antonín Píštěk, CSc. (předseda)
doc. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Eduard Malenovský, DrSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Rudolf, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vladimír Habán, Ph.D. (člen)
Ing. Jindřich Veselý, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Šulc, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Melichar, CSc. (člen)
Date of acceptance
2021-12-16
Defence
Doktorand představil hlavní části své disertace. Z rozpravy a oponentních posudků vyplývají výborné teoretické znalosti z mechaniky tekutin. DDP řeší akuální problematiku modelování dynamických vlastností rotorové soustavy s aplikací na odstředivé čerpadlo.
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení