自由液面对低水头灯泡贯流式水轮机流场的影响

摘要

近年来，如何综合、经济得开发低水头水力资源成为人们关注的焦点，灯泡贯流式水轮机作为开发低水头水力资源的一种优良机型，也成为了人们关注和研究的热点问题。本文针对大型灯泡贯流式水轮机工作水头低，转轮直径大，机组取水口距离水库表面很近，同时引水管道较短等特点，采用模型试验与数值计算两种方法，研究了库区和尾水明渠自由液面对低水头灯泡贯流机组内流动特性的影响。
　　首先，根据重力相似准则建立有压管道的水力学实验模型，以管道上、下游水面高程作为实验工况，通过模型实验研究自由液面对压力管道内流动特性的影响。此外，建立了实验装置的三维几何模型，对不同工况下压力管道内的流动进行了数值模拟研究。通过将模型实验数据与数值模拟结果进行对比分析，获得了受自由液面影响的有压管道内流动特性，在同一管道断面上，压力呈阶梯状分布，并且在管道过水断面上流速非均匀分布，管道顶部流速小于底部。此外，定性分析了灯泡机组的进口边界条件，认为在灯泡机组的进口边界上流速及压力是非均匀分布的。
　　其次，建立某一灯泡贯流式水轮机的三维几何模型，包括:灯泡体、导叶、转轮和尾水管四个部分。以导叶开度和叶片转角作为计算工况，通过给定水轮机的进口流量，在不考虑自由液面影响的情况下，对灯泡贯流机组进行全流道定常数值计算，得到了灯泡贯流机组各过流部件的流速场与压力场以及水轮机的效率、工作水头、流量等水力学参数。
　　最后，在考虑自由液面情况下，建立包括库区和尾水明渠的三维几何模型，整个计算区域分为三个大的部分:上游库区、水轮机流道、下游尾水明渠。在数值计算中，以导叶开度、叶片转角以及上、下游水位作为计算工况，采用VOF方法处理自由液面，研究了自由液面对灯泡机组内流场的影响。在是否考虑自由液面两种情况下，得到的数值计算结果相差甚远，考虑自由液面时，导叶的压力分布、转轮叶片上最小压力分布位置以及力矩大小均为非轴对称分布，而在未考虑自由液面影响时，灯泡机组内的流场呈轴对称分布。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 灯泡贯流式水轮机研究概况

1．3 自由表面追踪方法

1．4 本文的研究内容和研究方法

2 数值计算基本原理

2．1 计算流体力学概述

2．2 流体运动的基本控制方程

2．3 湍流运动数值模拟方法

2．3．1 湍流模型理论

2．3．2 大涡模拟

2．3．3 直接模拟

2．4 流体体积(VOF)方法

2．5 边界条件与初始条件

2．6 计算区域与控制方程的离散方法

2．6．1 计算区域离散化

2．6．2 数值离散方法分类

2．6．3 通用方程的离散

2．7 本章小结

3 自由液面对有压管道内流动特性的影响

3．1 模型实验研究

3．1．1 模型相似原理

3．1．2 实验模型设计与物理量测量

3．1．3 模型试验结果分析

3．2 数值模拟研究

3．2．1 计算区域和计算网格

3．2．2 边界条件和初始条件

3．2．3 数值模拟结果分析

3．3 本章小结

4 考虑自由液面影响的灯泡贯流式水轮机数值计算

4．1 水轮机基本参数

4．2 水轮机进口流速及压力均匀分布的全流道计算

4．2．1 计算区域及网格划分

4．2．2 边界条件、数值计算方法及计算工况

4．2．3 各计算工况下水轮机性能

4．3 考虑上游库区及下游尾水影响的水轮机全流道计算

4．3．1 计算区域及网格划分

4．3．2 边界条件、初始条件及计算工况

4．4 数值结果对比分析

4．4．1 自由液面对灯泡贯流式水轮机流场的影响

4．4．2 自由液面对灯泡贯流式水轮机性能的影响

4．5 本章小结

5 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

致谢

参考文献