基于CFD的混流式水轮机固液两相流动与飞逸特性分析

摘要

随着能源消耗的逐步增加，水电作为一种清洁能源占据了越来越重要的地位，水电站发挥着调峰调频的重要作用。然而由于近年来水土流失的加剧，导致我国在运行的大多数电站都在含沙较多的河流中运行。因此，在这种多泥沙河流中运行的水轮机极易出现泥沙颗粒的磨损、加剧机组振动等问题，从而降低了水轮机的使用寿命，给电站运行带来很大危害。本文针对在固液两相流动情况下运行的水轮机进行了数值模拟，以期揭示固相颗粒在水轮机中的流动规律，并预估了水轮机的泥沙磨损情况。在水轮机运行过程中遇到的另一严重问题是水轮机甩负荷运行时，由于导水机构拒动而导致的飞逸工况的产生，因此本文研究了水轮机在飞逸工况时的流动特性。针对以上问题，本文主要做了以下研究内容和工作:
　　(1)通过HL240型水轮机的木模图，运用CAD及SolidWORKS软件建立了水轮机转轮模型，然后经由水力计算，设计出水轮机蜗壳、活动导叶、尾水管三部分过流部件。最后，对所建立的水轮机模型根据其不同的结构分别应用ICEM CPD以及Turbogrid软件进行结构化网格和非结构化网格的划分。
　　(2)采用CFX软件中Particle模型和非均相模型对所建立的水轮机模型进行固液两相流动数值模拟。导叶开度选为24°，从固相颗粒不同密度、粒径、浓度三个方面共计16个小工况进行了模拟实验，得到了在固液两相流动下水轮机外特性的变化规律。对蜗壳、导叶、转轮叶片等过流部件的磨损和内部固相属性的流动情况进行了分析。并将模拟结果与文献中的实验结果进行对比，结果显示本文研究结果与实际运行时的情况基本吻合。
　　(3)在飞逸工况的研究中，以6个不同开度下计算的稳态工况作为初始条件，结合水轮机飞逸工况转轮内控制方程来模拟水轮机到达飞逸工况后的动力学特性。实验结果表明，到达飞逸工况后，水流流速迅速增加，转轮内部出现了不同程度的涡流现象。由转轮叶片压力分布可知，在飞逸转速下叶片压力也急剧上升，叶片下环附近处压力较集中。然后对本文所采用的窄高型尾水管在内部流线、特正面压力分布方面进行分析，对比了飞逸工况前后尾水管内部的流动变化。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 立题背景与课题意义

1．1．1 课题研究背景

1．1．2 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 固液两相流国内外研究现状

1．2．2 飞逸特性国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

1．4 本章小结

第2章 数值模拟计算理论

2．1 计算流体动力学概述

2．2 流体流动控制方程

2．2．1 连续方程

2．2．2 动量方程

2．2．3 能量方程

2．3 湍流模型与固液两相流控制方程

2．3．2 重整化群k-ε模型

2．3．3 剪切压力传输模型

2．3．4 固液两相流控制方程

2．4 固液两相流计算方法

2．4．1 非均相模型

2．4．2 均相模型

2．5 飞逸工况控制方程

2．6 本章小结

第3章 混流式水轮机模型建立

3．1 建立混流式水轮机三维实体模型

3．1．1 转轮叶片与活动导叶模型

3．1．2 蜗壳与尾水管模型

3．2 混流式水轮机网格划分

3．2．1 网格划分概述

3．2．2 蜗壳与尾水管的网格划分

3．2．3 转轮叶片与活动导叶的网格划分

3．3 本章小结

第4章 水轮机固液两相流动模拟与磨损预估

4．1 固液两相流模拟计算

4．1．1 数值计算

4．1．2 边界条件设置

4．1．3 求解器设置

4．1．4 计算工况选择

4．2 能量特性分析

4．3 过流部件磨损分析

4．3．1 蜗壳磨损分析

4．3．2 导叶磨损分析

4．3．3 转轮叶片磨损分析

4．4 本章小结

第5章 飞逸工况特性分析

5．1 飞逸工况模拟实验

5．1．1 数值模拟方法

5．1．2 算例实现

5．2 转轮叶片特性分析

5．2．1 内部流动分析

5．2．2 叶片压力分析

5．3 尾水管动力特性分析

5．3．1 内部流动分析

5．3．2 压力特性分析

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

作者简介

发表论文和科研情况