水力机械内部复杂流动的数值研究与性能预测

论文摘要

现代水力机械向着高参数、高性能和高可靠性方向发展，一个稳定高效的流场是确保水力机械具有高性能和使其达到高可靠性的重要保证。而水力机械内部流动十分复杂，由水力机械内部湍流脉动诱发的水力稳定性问题是决定其运行稳定性的最主要因素。本文以水力机械内部流动为研究对象，对一单级单吸离心泵和一混流式水轮机内部流动进行了详细的数值研究。主要完成了以下几方面的工作： 对流动求解过程中控制方程组的离散方法，耦合计算中的加速收敛技术，非定常流动数值模拟中动静耦合区域周期性边界条件，动静滑移界面网格处理方法和动静干涉面上的信息传递方法等进行了研究。并分别采用了UDS和SUDS对流项离散格式和RSM、标准k-ε、RNG k-ε和k-ω SST四种湍流模型对水力机械内部流动进行数值计算，以确定适合于模拟本文流动问题的湍流模型和对流项差分格式。 采用数值模拟方法分析了不同工况下离心泵内叶轮与蜗壳耦合的非定常流动，结果表明由于叶轮与蜗壳的干扰，蜗壳进口周向流动的不均匀性是非常强烈的，特别是叶轮与蜗舌间的相互干扰最为强烈，一直影响到叶轮进口和蜗壳扩散管出口的流场，也是离心泵运行中部件振动和产生噪声的主要原因；非设计工况下具有螺旋型压水室的离心泵叶轮出口周向静压分布不均匀产生径向力，在小流量工况下静压沿周向随包角的增加而增大，到扩散段进口处达到最大，而大流量工况下静压沿周向随包角的增加而减小；在蜗壳内整个流动是以旋涡形式向出口推进的，并随包角的变化旋涡表现出复杂的产生、发展和耗散的演化过程，导致蜗壳内较大的流动损失；离心泵的瞬时扬程随叶轮与蜗壳相对位置的不同而表现出较大的变幅，且瞬时扬程的变幅随着流量的减小而减小。 开展了离心泵叶轮与蜗壳径向间隙变化对离心泵性能影响的数值研究。对于不同外径的叶轮，随叶轮外径的减小，最高效率点向小流量方向移动；径向间隙的大小与压力脉动量不呈线性关系，应该存在一个最优的径向间隙，在扬程下降不大的情况下，可显著改善压力脉动。 进行了不同型式蜗舌对离心泵性能影响的数值研究。对于三种不同型式的蜗舌，蜗舌型式及相对位置对离心泵的性能和运行稳定性有较大影响。由深舌改为中舌时可使离心泵

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 水力机械内部流动研究现状
• 1.2.1 流动物理模型
• 1.2.2 湍流模拟
• 1.2.2.1 标准k-ε模型及其修正
• 1.2.2.2 RNG k-ε模型
• 1.2.2.3 k-ε模型
• 1.2.2.4 雷诺应力模型
• 1.2.3 控制方程的求解方法
• 1.2.3.1 时间推进法
• 1.2.3.2 压力修正法
• 1.2.4 网格生成
• 1.2.4.1 结构化网格
• 1.2.4.2 非结构网格
• 1.2.4.3 混合网格
• 1.3 水力机械过流部件三维粘性流动数值模拟研究状况
• 1.3.1 水轮机过流部件流动研究状况
• 1.3.2 离心泵内部流动研究状况
• 1.4 水力机械内部动静耦合流动研究现状及问题
• 1.4.1 简单的顺序计算法
• 1.4.2 混合平面法
• 1.4.3 连续界面方法（通道平均模型）
• 1.4.4 滑移界面法（三维非定常时间精确解）
• 1.5 本文主要研究内容
• 2 流动数值计算方法
• 2.1 流动控制方程组
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 雷诺应力模型
• 2.2.2 涡粘度模型
• 2.2.2.1 标准k-ε湍流模型
• 2.2.2.2 RNG k-ε湍流模型
• 2.2.2.3 k-ω SST湍流模型
• 2.3 网格生成
• 2.3.1 水力机械的网格生成
• 2.3.2 混流式水轮机转轮与导叶的网格生成
• 2.3.3 离心泵叶轮与蜗壳的网格生成
• 2.4 控制方程组的离散与求解
• 2.4.1 空间离散格式
• 2.4.2 时间离散格式
• 2.4.3 方程组的求解
• 2.5 求解器的加速收敛技术
• 2.5.1 网格粗化规则
• 2.5.2 多重网格的信息传递格式
• 2.6 动静耦合问题的处理
• 2.6.1 动静耦合区域周期性边界条件
• 2.6.2 动静滑移界面网格处理方法
• 2.6.3 动静滑移面上的信息传递法
• 2.7 本章小结
• 3 离心泵叶轮与蜗壳耦合流动数值研究
• 3.1 前言
• 3.2 湍流模型和差分格式的选择分析
• 3.2.1 差分格式对数值模拟精度的影响
• 3.2.2 湍流模型对数值模拟精度的影响
• 3.3 离心泵内部定常流动的数值分析
• 3.3.1 叶轮与蜗壳中心截面流动特性分析
• 3.3.2 叶轮与蜗壳动静耦合面周向流动特性分析
• 3.3.3 蜗壳内部流动特性分析
• 3.4 离心泵叶轮与蜗壳耦合非定常流动分析
• 3.4.1 非定常计算条件
• 3.4.1.1 边界条件
• 3.4.1.2 初始条件
• 3.4.1.3 时间步长
• 3.4.2 计算结果分析
• 3.4.2.1 叶轮与蜗壳中心截面流动特性分析
• 3.4.2.2 叶轮与蜗壳动静耦合面周向流动特性分析
• 3.4.2.3 离心泵内各测点非定常压力脉动特性分析
• 3.4.2.4 离心泵内各测点非定常压力频谱特性分析
• 3.4.2.5 离心泵蜗壳内部流动特性分析
• 3.4.2.6 离心泵瞬时扬程特性分析
• 3.5 本章小结
• 4 离心泵叶轮径向间隙及蜗舌型式对内部流动的影响研究
• 4.1 前言
• 4.2 叶轮与蜗壳间径向间隙变化对离心泵性能及内部流动的影响
• 4.2.1 算例简介
• 4.2.2 径向间隙变化对离心泵性能的影响
• 4.2.3 不同径向间隙时离心泵内部流场分析
• 4.2.4 不同径向间隙时离心泵内部压力脉动特性分析
• 4.3 不同型式蜗舌对离心泵性能及内部流动的影响
• 4.3.1 算例简介
• 4.3.2 不同型式蜗舌对离心泵性能的影响
• 4.3.3 不同型式蜗舌时离心泵内部流场分析
• 4.3.4 不同型式蜗舌时离心泵内部压力脉动特性分析
• 4.4 本章小结
• 5 混流式水轮机内部流动数值分析与性能预估
• 5.1 前言
• 5.2 性能预估方法
• 5.3 模型水轮机三维定常湍流计算结果与分析
• 5.3.1 蜗壳流场计算结果及分析
• 5.3.2 导水机构流场计算结果及分析
• 5.3.3 转轮流场计算结果及分析
• 5.3.4 尾水管流场计算结果及分析
• 5.4 水轮机模型综合特性曲线
• 5.5 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士期间参加的科研工作