混流式水轮机过渡过程中的瞬态流动数值模拟

摘要

在水电站过渡过程中,工况的转换常常会引起引水系统内的水锤、水力机组强烈的振动、不稳定的压力脉动和噪声等现象,严重影响电厂的安全运行。因此,对过渡过程中的不稳定流动分析是目前研究的热点问题。本文应用商业CFD软件FLUENT14.0,采用基于有限体积法的动网格技术,对简单管道内阀门的关闭过程和混流式水轮机活动导叶在大波动过渡过程中的瞬态流动进行了CFD数值模拟。主要工作内容包括以下几方面:
　　首先,对末端装有阀门的管道进行了阀门关闭的数值模拟,计算得到了管道阀门处的最大水击压强,并与常规的数值解法进行了比较,表明采用CFD数值模拟计算出的最大水击压强可以满足工程实际的要求。研究了在不同阀门关闭时间下管道内部的压力变化和阀门受力情况,计算结果表明:延长阀门关闭时间可以降低最大水击压强和阀门受力值。
　　其次,对某混流式水轮机活动导叶连续关闭的大波动过渡过程进行了数值模拟,捕捉到了活动导叶单流道内流场随导叶开度变化的动态过程,发现了流道内的水流流速和压力值都随着导叶开度的减下而增大。还对导叶不同关闭方式下的流场进行了分析对比,结果表明:在不同关闭方式下所体现的非定常特性是不同的,相比于直线关闭,采用两段关闭方式在改善过渡过程动态品质方面更有优势。
　　最后,对大波动过渡过程中,活动导叶及转轮组成的单周期流道进行了瞬态数值模拟。分析了过渡过程中转轮进口流态的变化,重点研究了导叶关闭过程中转轮内部的速度场和压力场的变化过程,并和定常计算结果进行了对比,结果表明:过渡过程工况与稳定工况是不同的,过渡过程流场更能反应实际运行。在此基础上对转轮进出口处的压力脉动进行了分析,为提高机组在过渡过程中的运行稳定性提供了一定的理论依据。

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1 绪论

1.1本文研究的背景和意义

1.2水力过渡过程研究的发展历史、现状和趋势

1.3动网格技术研究现状

1.4本文的主要工作

2 瞬态流动数值计算方法

2.1引言

2.2描述流体流动的基本控制方程

2.2控制方程离散化及计算方法

2.3基于有限体积法的动网格计算方法

2.4三维湍流数值模拟方法

2.5 Fluent动网格更新方法

2.6 UDF技术

2.7数值计算方法的验证

2.8本章小结

3 管道阀门关闭模拟

3.1 水电站水击概述

3.2管道阀门关闭数值模拟

3.3本章小结

4 基于动网格技术的活动导叶内部流场数值模拟

4.1引言

4.2 计算模型和网格划分

4.3 活动导叶动态模拟相关设定

4.4 计算结果分析与对比

4.5本章小结

5 基于动网格技术的转轮内部流场数值模拟

5.1物理模型和计算网格

5.2数值计算方法

5.3 计算结果与分析

5.4本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 存在的问题和展望

致谢

参考文献