混流式水轮机内水流的数值模拟及其CFD软件应用的研究

摘要

水力发电是国民经济发展中主要的能源来源之一，水电站的核心部件是水轮机，水轮机的工作状态对水电站的整体性能起着决定性的作用。一直以来随着水电产业的不断发展，水轮机技术的研究也在不断进步。追求安全、高效、稳定的运行工况仍是水轮机过流部件研究的重要技术难题之一。 计算流体动力学CFD(Computational Fluid Dynamics)是近年来发展起来的流动模拟技术，特别是CFD模型软件系统的出现为水轮机内部湍流流动的数学模拟提供了经济、快捷和灵活的研究手段。合理、有效的应用CFD模型软件系统对水轮机全流道的计算模拟，成为水轮机流动模型研究发展的新方向。 本文对CFD原理进行了系统的、较详细的介绍。讨论了κ-ε湍流模型的各种形式，比较选择了水轮机内水流运动模型，评述了CFD软件的建模方法。建立了二维水轮机水流运动模型，通过计算结果对水轮机内部流动及特性进行了分析。 论文具体完成的工作内容如下： 一、根据一具体水电站的实际水力参数，对水轮机引水部件、导水机构、转轮叶片和水轮机整体结构建立了二维分体和联体几何模型； 二、研究了利用FLUENT软件对水轮机各主要部件的网格划分、边界设定、参数选择、求解计算等一系列软件应用的关键步骤； 三、对求解收敛的结果进行后处理，得到了各个计算流体区域的速度矢量分布、压力等值线分布、湍流强度等值线分布，分析各特征点流体流动状态和静、动压数值变化； 四、分析了最优工况下混流式水轮机内部流动特征，获取水轮机各过流部件的流动信息，在定量和定性两个方面评价水轮机的性能。

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第一章绪论

1.1水轮机内水流的数值模拟的概述

1.2水轮机内水流的数值模拟研究目的和意义

1.3国内外发展状况及研究现状

1.4本论文的主要研究内容及技术路线

第二章水轮机内水流数学模型及CFD基本理论

2.1流体运动的基本方程

2.2湍流模型

2.3 CFD软件简介及本文运用的CFD软件FUYENT介绍

第三章水轮机几何模型的建立

3.1常用CFD软件的前处理几何建模软件

3.2混流式模型水轮机的基本技术参数

3.3水轮机各过流部件几何模型构建

第四章计算网格的理论和混流式水轮机网格的生成

4.1网格类型

4.2网格单元及网格区域的分类

4.3网格类型对求解精度的影响

4.4生成网格的过程

4.5生成非结构网格的常用方法

4.6网格生成的专用软件

4.7 GAMBIT网格划分技术

4.8混流式水轮机格过流部件网格生成

4.9网格检查的质量标准

第五章混流式水轮机内部流动计算及性能分析

5.1水轮机转轮中计算工况点的选取

5.2水轮机各过流部件边界条件和流场的CFD模拟计算

5.3结果综合分析

5.4本章小结

第六章结论与展望

6.1主要研究成果

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致 谢