基于CFD的长短叶片混流式水轮机尾水管三维数值模拟

论文摘要

尾水管是混流式水轮发电机组的重要组成部分。尾水管将水流引向下游,回收一部分的水流能量,尾水管性能的好坏对水轮发电机组的稳定、经济运行有着至关重要的影响。文章以混流式水轮机HLA351-LJ-170为研究对象。根据HLA351-LJ-170水轮机的尾水管单线图、长短叶片木模图及上冠下环等的数据,利用三维建模软件PRO/ENGINEER,分别建立了长短叶片水轮机、长叶片水轮机及短叶片水轮机三维模型。采用Realizableκ-ε湍流模型、SIMPLEC算法,在并行计算平台上对这三种水轮机模型的8个典型工况分别进行三维数值模拟。通过观察三种不同模型水轮机在不同工况下,尾水管内的压力分布、速度分布、涡带的生成与消亡；计算水轮机效率及尾水管恢复系数,综合比较分析三种模型尾水管的性能。结果如下：（1）尾水管内最低压力都为负,且都出现在转轮后形成的涡带中心；随着流量的增大,转轮后涡带中心的负压逐渐减小,尾水管出口压力逐渐增大。在尾水管内部,从进口到出口,压强基本保持升高的趋势,只有在弯肘段出口附近压强才会突然减小。三种模型中,长短叶片水轮机尾水管弯肘段附近的压力梯度及尾水管出口的压力最小,压力分布比较理想；同时,长短叶片水轮机尾水管内,沿水流方向,速度变化梯度比较小,在弯肘段内侧形成的涡流滞水区最小,速度分布比较均匀,有利于水流向下流动。（2）在相同的工况下,长短叶片水轮机尾水管内涡心出现的偏移的位置离尾水管进口最远,供涡带发展的纵向长度空间减小,可降低尾水管中低频压力脉动向上传播的能量幅值,有利于水轮发电机组的稳定运行。（3）涡消亡后,长短叶片水轮机尾水管内产生的回流比较小,只需经过1-2个截面回流即基本消失,且在工况3～工况6中产生的回流都不会再次形成涡流,有效的改善了尾水管中的流态；在工况2与工况7中甚至看不到明显的回流,有利于减少机组的水力损失。（4）长短叶片水轮机具有较高的效率及尾水管恢复系数。尾水管的综合性能较优。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 水轮机尾水管研究的发展及现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 CFD软件及三维湍流流动数值模拟方法
• 2.1 CFD软件简介
• 2.2 控制方程
• 2.2.1 质量守恒方程
• 2.2.2 动量守恒方程
• 2.2.3 能量守恒方程
• 2.3 湍流数值模拟方法
• 2.3.1 直接数值模拟
• 2.3.2 大涡模拟
• 2.3.3 Reynolds平均法
• 2.4 湍流数值计算方法
• 2.4.1 流场数值解法
• 2.4.2 数值离散方法
• 2.5 小结
• 第三章 尾水管模型及网格划分
• 3.1 水轮机转轮三维模型
• 3.2 尾水管三维模型
• 3.3 网格划分
• 第四章 湍流模型及计算方法的选取
• 4.1 计算模型
• 4.1.1 边界条件
• 4.2 湍流模型及计算方法
• 4.2.1 湍流模型
• 4.2.2 计算方法
• 4.3 计算结果及分析
• 4.5 总结
• 第五章 混合模型尾水管的CFD并行计算
• 5.1 并行计算的原理
• 5.2 并行计算的设置
• 5.3 并行计算的主要步骤
• 5.3.1 搭建并行计算平台
• 5.3.2 读入case文件
• 5.3.3 负载分布及检查
• 5.4 计算结果及分析
• 5.5 总结
• 第六章 尾水管三维定常计算
• 6.1 尾水管压力分布
• 6.2 尾水管速度分布
• 6.3 尾水管涡带的生成与消亡
• 6.3.1 短模型尾水管中涡的生成与消亡
• 6.3.2 长模型尾水管中涡的生成与消亡
• 6.3.3 混合模型尾水管中涡的生成与消亡
• 6.4 水轮机效率及尾水管效率
• 6.5 总结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士期间发表论文及参与项目