高水头混流式水轮机内部流场特性分析与研究

摘要

水轮机的运行特性决定着机组的发电效率、使用寿命和以及电站的经济效益。因此，水轮机的结构设计，是否与当地电站的水力条件匹配，能够达到一个优良的特性，是在机组投入发电前必须验证的过程。本文针对土耳其某高水头电站的混流式机组，展开了内部全流道CFD分析和模型试验，获得了机组的水流速度压力分布规律。本文的研究主要工作有：
　　（1）对水轮机内部流动理论进行了分析。结合计算对象的工况条件和相关研究结论，确定了CFD数值计算的前处理操作中条件设定。其中，离散方程为有限体积法、迎风格式为二阶迎风、计算方法为SIMPLEC算法、湍流模型为RNG k-?模型以及近壁区处理选择标准壁面函数。前处理各环节的合理化条件选择，奠定了CFD分析的数值计算条件设置基础。
　　（2）采用零件装配法，分别建立蜗壳、导水机构、转轮等过流部件的流道模型，并装配成整体。再通过调整导叶开度，分别建立了活动导叶开度为60％、70%、80%、90%这四种条件下的全流道模型。在网格划分软件中，采用Tet/Hybrid划分四种开度下的模型流域，并进行CFD数值计算。最终，得到了设计工况下，4种开度条件下的流场速度压力分布规律，并按照仿真结果，换算出了机组在各条件下的效率和出力。结果显示，随着开度的增大，机组内部的水流流动趋于优化，在大开度工况下，虽然转轮叶片的抗气蚀性有所下降，但仍在合理范围，且水力性能较之小开度条件更加良好，效率和出力都能达到较高的水平。
　　（3）对该机组进行了模型试验。完成了模型水头条件下，模型的出力、效率、流量以及静水压力的测试。试验结果表明，各测试参数的变化规律与仿真值几乎一致，除静水压力外，其余测试参数与数值计算结果的偏差水平较小，即验证了仿真结果的正确性。
　　（4）根据仿真和试验结果，提出了对转轮叶片的翼型进行修型、叶片割边以及尾水管补气的后续机组优化措施。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 课题背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容

1. 4 本章小结

第二章 混流式水轮机内部流动CFD分析条件设置

2.1 水轮机流场仿真流动特性的选择

2.2 数值计算控制方程的确定

2.3 离散化方法的选择

2.4 迎风格式的选择

2.5 SIMPLE算法的确定

2.6 湍流模型的确定

2.7 近壁区的处理

2.8 本章小结

第三章 混流式水轮机内部流场CFD分析

3.1 水轮机全流道模型的建立

3.2数值计算条件的设置

3.3计算结果的后处理

3.4 出力和效率计算

3.5 本章小结

第四章 混流式水轮机模型试验

4.1 试验设备及试验流程

4.2 模型出力及效率试验及其测试结果分析

4.3 转轮叶片静压力试验

4.4 改进措施的提出

4.5本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2 展望

参考文献

致谢