含沙水中混流式水轮机内部流动的数值模拟

摘要

与其他能源相比，水力发电具有开发技术成熟，对环境冲击小，综合效益大等优势。世界各国都在积极加大对水力发电的投入力度。然而，我国河流的突出特点就是水流中带有大量的沙粒。在其流域上运行的电站水轮机容易遭受泥沙的磨损破坏，从而改变其过流表面的形状。由此引起效率降低，机组运行振动加剧，机组检修频繁，大修期延长等一系列间接后果。
　　水轮机内部沙水流动的研究是泥沙磨损研究的基础。因此，开展固液两相流条件下水轮机内部沙水流动的研究具有重要的意义。实践证明，对于在高水头条件下运行的混流式水轮机，在转轮中加入短叶片可以使泥沙磨损情况有所减轻。但对短叶片的具体功能还需要深入研究。
　　本文以某一低比转速混流式水轮机为例，借助数值模拟软件CFX研究含沙水条件下常规转轮和长短叶片转轮在不同运行工况下，水轮机过流部件的压力和泥沙分布情况。通过比较能够得出，转轮中加入短叶片后有助于减轻水轮机泥沙磨损。
　　研究的主要内容如下：
　　1.根据水轮机的参数，借助UG软件，对水轮机的过流部件建模，并把建好的模型用Parasolid格式导出。然后在ICEM中对实体划分网格；
　　2.将画好的网格文件导入到ANSYS CFX-Pre中进行物理定义和条件设置并借助软件 CFX-Solver进行数值计算。得出当颗粒直径和体积浓度一定时，流量不同的情况下转轮在有无短叶片时各过流部件内流场流动情况；
　　3.在CFX-Post中，对计算结果进行处理，得出它们的压力分布，泥沙分布情况，分析流体的流动状态；
　　4.对比模拟结果借助理论知识，定性分析短叶片对在含沙水条件下运行的水轮机的性能影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1课题来源

1.2课题研究的背景、目的及意义

1.3国内外研究进展

1.4本课题研究的主要内容

2 固液两相流控制方程及数值模型

2.1固液两相流的基本理论

2.2固液两相流的基本运动方程

2.3湍流运动方程与数值模拟模型

3 数值计算方法

3.1计算流体动力学基础

3.2数值离散及求解方法

3.3边界条件的设置

3.4求解设置及收敛判定

3.5数值模拟软件

3.6 CFX数值求解过程

4 水轮机全流道几何建模及网格划分

4.1水轮机的基本设计参数

4.2三维几何建模软件

4.3网格划分

5 计算及结果分析

5.1小流量工况计算结果与分析

5.2最优工况计算结果与分析

5.3大流量工况计算结果与分析

5.4不同工况之间的分析

6 结论与展望

6.1结论

6.2存在的问题与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文及科研成果

致谢