混流式水泵水轮机间隙流动的数值分析

摘要

混流式水泵水轮机的工作水头较高，具有较低的比转速，其泄漏量大小决定机组的容积损失，直接关系到机组能量特性，并且密封腔内液体压力对作用在转轮上的轴向水推力有较大影响，从而关系到机组的稳定性，同时上冠与顶盖间隙出口的压力还是决定机组顶盖排水方式的重要参考依据。因此，对水泵水轮机间隙流动的研究是十分必要的。
　　 当机组处于工作状态下，很难对其进行测定泄漏量的试验。CFD数值模拟技术日趋成熟，已成为国内外广大学者研究可逆式机组水力性能的一种主要手段。本文以某大型可逆式机组的原型机为研究对象，应用计算流体动力学技术对其含密封间隙的整机全流道定常流动进行了数值模拟，计算了机组在水泵、水轮机不同工况点下的泄漏量，并与理论计算的泄漏量具体数值进行比较，指出理论方法只能大致估算机组的泄漏量，不能说明泄漏量在变工况下的分布规律，而CFD数值模拟技术能够较准确的描述间隙泄漏问题;分析了密封间隙内部的流态，捕捉到了间隙涡的存在;计算了机组的容积损失，分析了间隙流动对水泵水轮机能量特性的影响，指出泄漏量造成机组容积损失的同时，还会使机组内部流态发生变化，产生一定的水力损失;计算了不同间隙值下机组的泄漏量及容积损失，指出在一定水头下间隙值对机组泄漏量的影响较大，而固定隙值机组在不同工况下的泄漏量大小相差较小;以1.5mm设计间隙值和0mm假想间隙值模型为例，通过对比两模型下机组内部压力和速度的分布情况，说明了间隙流动对水泵水轮机内部流态的影响。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本课题的背景及意义

1．2 水泵水轮机国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 旋转机械间隙流动的研究现状

1．4 本文的研究内容

第2章 水泵水轮机几何模型的建立及网格的划分

2．1 几何模型的建立

2．1．1 蜗壳几何模型建立

2．1．2 导叶几何模型建立

2．1．3 转轮几何模型建立

2．1．4 尾水管几何模型建立

2．2 网格的划分

2．2．1 结构化网格技术与非结构化网格技术

2．2．2 蜗壳结构化网格划分

2．2．3 导叶结构化网格划分

2．2．4 间隙结构化网格划分

2．2．5 转轮结构网格划分

2．2．6 尾水管结构网格划分

2．3 本章小结

第3章 水泵水轮机CFD数值计算方法简介

3．1 计算流体动力学基础

3．1．1 控制方程简介

3．1．2 数值求解方法及离散格式

3．2 数值模拟方法

3．2．1 直接模拟(Direct Numerical Simulation，DNS)

3．2．2 大涡模拟(Larger Eddy Simulation，LES)

3．2．3 Reynolds平均法

3．3 本文数值计算方法

3．3．1 边界条件

3．3．2 本次计算的湍流模型选取

3．3．3 本次计算的收敛标准

3．4 本章小结

第4章 计算结果及分析

4．1 机组泄漏量的计算

4．1．1 泄漏量的理论计算

4．1．2 CFD数值计算的结果

4．1．3 两种方法计算结果的对比分析

4．2 间隙内部流态分析

4．3 蜗壳、导叶内部流态分析

4．3．1 水轮机工况蜗壳、导叶内部流态分析

4．3．2 水泵工况压水室内部流态分析

4．4 间隙流动对机组能量特性影响的分析

4．4．1 不同工况下间隙流动对机组能量特性的影响

4．4．2 不同间隙值的间隙流动对机组能量特性的影响

4．5 尾水管内部流态分析

4．5．1 水轮机工况尾水管内部流场分析

4．5．2 水泵工况尾水管内部流场分析

4．6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

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