基于数值模拟的长短叶片混流式水轮机流场研究

论文摘要

长期以来,为了能够更为精确的研究和预测水轮机在各种工况运行范围内的能量特性、空蚀性能和稳定性,研究人员一直在寻找更加有效且精度更高的计算方法,并且希望能够最大限度地减少试验和模型加工的费用。近年来发展起来的CFD（计算流体动力学）技术以其特有的灵活性和周期短花费小等多方面优势为研究者提供了一个新的有效研究手段。可以认为合理地使用水轮机内部湍流流动的计算技术和数学模型,进行水轮机内部流场的流动数值模拟计算是可行的研究方法,也是水轮机内部流动计算研究的一个重要的发展方向。水轮机叶片作为水轮机组的核心部件,对水轮机的整体性能起着重要的影响,为分析不同叶片对水轮机内部流动的影响,本文对长短两种叶片模型下的HLA351-LJ-170型混流式水轮机转轮和尾水管部分进行了三维湍流模拟计算。本文根据水轮机实际参数建立了转轮和尾水管三维几何模型,采用结构化网格划分方法生成网格,选用标准k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,用壁面函数法处理近壁流动。通过分析不同工况下该两种水轮机内部流动数值模拟的结果,本文得到以下成果：1.在偏离最优工况,尤其是在小流量工况下转轮叶片背面入口处的速度、压力分布不均匀,尾水管内有一些不稳定涡流,这些是影响水轮机性能和稳定性的重要因素。2.长叶片模型在稳定性、空蚀性能和能量特性上都优于短叶片,是更优化的一种选择。3.根据流场计算的结果,对水轮机转轮和尾水管部分进行了性能预估。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的研究内容
• 第2章 水轮机内部流动研究及其计算方法概述
• 2.1 水轮机水力性能研究方法
• 2.2 水轮机内部流动数值计算方法
• 2.3 流动基本控制方程
• 第3章 混流式水轮机转轮及尾水管三维几何模型建立
• 3.1 转轮模型生成
• 3.1.1 短叶片模型
• 3.1.2 长叶片模型
• 3.2 尾水管模型生成
• 第4章 计算对象模型网格生成与边界条件的选取
• 4.1 计算模型边界条件的选取
• 4.2 网格生成
• 4.2.1 网格生成技术
• 4.2.2 计算对象模型网格的生成
• 第5章 计算对象湍流模型及计算方法的选取
• 5.1 湍流模型的选取
• 5.2 控制方程离散方法的选取
• 5.3 数值计算方法的选取
• 第6章 混流式水轮机转轮及尾水管三维湍流计算及性能分析
• 6.1 计算工况点的选取
• 6.2 长叶片模型计算结果显示及分析
• 6.2.1 转轮部分计算结果显示
• 6.2.2 转轮计算结果分析
• 6.2.3 尾水管部分计算结果显示
• 6.2.4 尾水管计算结果分析
• 6.3 短叶片模型流态对比分析
• 6.3.1 转轮计算结果对比分析
• 6.3.2 尾水管计算结果对比分析
• 6.4 水力效率及空蚀性能预测
• 6.4.1 转轮水力效率分析
• 6.4.2 尾水管水力效率分析
• 6.4.3 空蚀性能分析
• 6.5 两种叶片模型对比分析总结
• 第7章 结论与下一步工作
• 7.1 结论
• 7.2 下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录A攻读学位期间发表论文及参与项目