尾水扰动对水轮机压力脉动特性的影响

摘要

随着水轮机设计技术的不断发展与国民生产对电力的需求以及对可再生能源的不断重视，水电站的单机装机容量不断增大，从三峡的70万千瓦，再到现在的白鹤滩100万千瓦，随着机组的增大，机组的稳定性运行就成了一个行业内尤为关注的问题。水利枢纽在开发时必然会受到地理位置、地质条件的限制，会造成尾水出口与泄洪建筑物相邻布置，当泄洪时会造成水电站尾水波动较大，从而不可避免的影响机组的安全和稳定性运行。本课题主要研究不同尾水波动规律对水轮机机组运行的影响，由于现有的试验台无法做到尾水出口压力呈现规律性波动，而且随着CFD技术在水力机械行业的应用不断成熟，本课题采用CFD技术来研究不同尾水波动规律对水轮机运行的影响。 本课题采用瞬态模拟来研究压力脉动，由于传统的湍流模型都是建立在雷诺时均的基础上，所模拟的是时均量，本课题采用大涡模拟来研究压力脉动，主要研究尾水脉动的振幅与频率对水轮机导叶以及尾水管内压力脉动的影响。本课题研究表明，尾水波动的振幅为额定水头0.1%、0.2%时，由于尾水的波动振幅相对于额定工况时的水头较小，水轮机运行工况点基本没有改变，导叶和尾水管内的压力脉动的主频基本没有变化，随着尾水波动振幅的增大，导叶与尾水管内的压力脉动的幅值均会增大；尾水波动的频率为10.028Hz与50.14Hz时，对导叶和尾水管内的压力脉动的主频基本没有影响，尾水波动频率为50.14Hz时，导叶与尾水管内的压力脉动的幅值均会增大。

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摘 要

Abstract

目 录

1 绪论

1.1 研究的背景及意义

1.2 国内外相关研究进展

2 水轮机内部流动计算方法

2.1 计算流体力学概述

2.2 流体控制方程

2.2.1 连续性方程

2.2.2 动量守恒方程

2.2.3 能量守恒方程

2.3 水轮机内部流场数值模拟

2.4 湍流模拟

2.4.1 直接数值模拟（DNS）

2.4.2 雷诺平均法

2.4.3 大涡模拟

3 水轮机全流道三维建模及网格划分

3.1 流道三维建模

3.2 网格划分

3.3 网格无关性检查

4 数值模拟

4.1 边界条件设置

4.2 壁面条件

4.3 计算结果分析方法

4.3.1 傅里叶变换

5 数值模拟结果与分析

5.1 不同振幅下尾水波动对机组的影响

5.1.1 活动导叶流道中的影响

5.1.2 尾水波动幅值对尾水管的影响

5.2 尾水波动频率对压力脉动的影响

5.2.1 尾水波动频率对活动导叶的影响

5.2.2 尾水波动频率对尾水管的影响

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献