混流式水轮机全流道内部流动特性数值分析

摘要

混流式水轮机适用水头范围广，结构简单，运行可靠，应用最为广泛。水轮机转轮是水轮机的一个核心部件，水轮机转轮内的流动状态好坏直接影响整个机器的能量空蚀特性和机组的稳定性，因此转轮的设计尤其重要。借助CFD数值分析的方法对转轮内流动状态及其在不同工况下的运行性能进行分析，是转轮优化设计的一个重要手段，目前国内外大型水电机组开发都是借助这一手段来进行新转轮的开发和优化的。
　　 本文对某水电站的原型混流式水轮机建立的水轮机全流道几何模型。借助三维建模软件UGNX，针对混流式水轮机转轮实体建模中待解决的叶片木模图数据转换问题，采用在CAD中进行网格划分定点的方法，将各个木模截面的数据以.dat格式导入到UGNX软件中，在UGNX中采用三次样条曲面法对水轮机叶片进行再造，为水轮机的流动性能分析做准备。并将UGNX建好的水轮机转轮模型导入gambit软件中，采用非结构化混合四面体网格对过流部件进行网格划分。使用FLUENT软件，对A696混流式水轮机转轮内部稳定场进行了数值模拟。具体分析了转轮叶片在不同运行工况下的很多外部特性，如过流量、效率等能量特性；还从叶片正背面的压力分布预见了转轮的空化性能等，为转轮性能预测提供了更多、更重要的参考价值。另外，随着水轮机效率的提高，水力机组运行的稳定性和振动问题越来越引起人们的重视。而且水轮机内部过流部件的流体流动实际是非常复杂的三维非稳定粘性流体运动，所以仅仅从水轮机内部稳定流场计算还不足以预测水力机组的稳定性问题，因此对水轮机内部非稳定流场的模拟计算成为必要。转轮和导叶、转轮和尾水管间的流动互扰等因素都会引起过流通道的不稳定流，从而影响机组稳定性。本文水轮机内部非稳定流场的研究是建立在稳定流场收敛后再进行的分析，研究了混流式水轮机内部非稳定流场中各种涡旋的产生机理和本身特征，从而找到减轻涡旋所造成的不利影响的有效办法。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前言

1.1课题研究背景和意义

1.2国内外混流式水轮机的研究现状

1.3本课题研究的主要内容

第二章混流式水轮机全流道几何模型的建立及网格划分

2.1引言

2.2水轮机三维流道实体模型的建立

2.2.1蜗壳的三维建模

2.2.2导叶的三维建模

2.2.3转轮的三维建模

2.2.4尾水管的三维模型建立

2.2.5全流道整体模型的建立

2.3三维网格生成

2.3.1结构化网格

2.3.2非结构化网格

2.3.2混合网格

2.4网格单元分类

2.5网格生成

2.6本章小结

第三章混流式水轮机内部流动数值计算的控制方程

3.1引言

3.2连续性方程

3.3动量方程

3.4湍流流动的特征

3.5湍流模型

3.5.1大涡模拟

3.5.2 Reynolds平均法(RANSA)

3.6近壁湍流模拟的壁面函数法

3.7本章小结

第四章混流式水轮机转轮内定常湍流数值模拟

4.1引言

4.2水轮机转轮内部流场CFD的求解过程

4.2.1建立控制方程

4.2.2数值离散方法

4.2.3流场的求解方法

4.2.4确定边界条件与初始条件

4.2.5判断解的收敛性

4.3水轮机转轮中计算工况点的选取

4.4水轮机转轮流动分析

4.4.1转轮不同工况流态分析

4.4.2效率分析

4.4.3不同工况下转轮的流动特征及性能预估

4.5本章小结

第五章混流式水轮机非定常湍流数值模拟

5.1引言

5.2影响混流式水轮机稳定性的主要因素

5.3数值计算方法

5.4水轮机的非定常湍流计算结果及分析

5.4.1导水机构流场随时间的变化

5.4.2影响水轮机水力稳定性的各种涡旋特性

5.5本章小结

第六章结论与展望

6.1结论

6.2今后工作的展望

参考文献

致谢

附录 攻读硕士学位期间公开发表的论文