基于CFD的长短叶片混流式水轮机研究

论文摘要

本文是在国家自然科学基金重大项目《XXXXXXXXXXXX》（XXXXXXX）和云南省自然科学基金项目《XXXXXXXXXXXX》（XXXXXXX）资助下完成.本文对长短叶片结合、长叶片、短叶片三种混流式水轮机（以下分别简称为CD水轮机、C水轮机、D水轮机）进行了三维数值模拟,对水轮机内部流动分析及性能优化进行了系统研究,主要成果有：（1）根据长短叶片混流式水轮机HLA351实际参数,采用PRO/ENGINEER软件成功建立了CD、C、D三种混流式水轮机三维几何模型,并可快速地改变活动导叶位置实现不同工况下模型变换.（2）根据水轮机过流部件特点,成功采用了分块网格技术,实现了蜗壳及导水机构、转轮、尾水管的高质量网格划分.（3）对CD、C、D三种混流式水轮机转轮进行了多工况计算,并进行效率空化分析,得出水轮机性能与翼形有关,在相同情况下,CD水轮机较常规的流速和压强分布更合理、性能更优,这对水力机械的设计或改型优化设计等研究题提供借鉴.（4）成功利用交界面来传递CD水轮机动各过流部件区域间的流场信息,实现CD水轮机动静耦合.（5）基于并行计算,采用RNG k-ε双方程湍流模型和三维时均N-S方程,对CD混流式水轮机在额定流量工况下进行了三维全流道湍流定常及非定常流场进行了模拟.（6）基于计算结果,对CD水轮机进行了详细分析,预测了CD水轮机内各个部件的压力脉动,分析了水轮机内压力脉动产生和传播的规律.

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的工程背景及研究意义
• 1.2 水轮机数值模拟研究的发展和现状
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 三维湍流流动数值模拟方法
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 连续方程
• 2.1.2 动量方程
• 2.1.3 能量方程
• 2.1.4 牛顿流体的基本方程
• 2.2 湍流数值模拟方法
• 2.2.1 直接数值模拟方法（DNS）
• 2.2.2 大涡模拟（LES）
• 2.2.3 雷诺平均方法
• 2.3 湍流数值计算初始条件和边界条件
• 2.3.1 初始条件
• 2.3.2 边界条件
• 2.4 湍流数值计算方法
• 2.4.1 流场的求解方法
• 2.4.2 数值离散方法
• 2.4.3 网格的生成方法
• 2.5 小结
• 第3章 水轮机几何模型的建立
• 3.1 长短叶片水轮机
• 3.2 长短叶片水轮机物理模型的建立
• 3.2.1 软件选择
• 3.2.2 物理模型建立
• 3.3 小结
• 第4章 水轮机转轮三维定常数值模拟
• 4.1 网格划分
• 4.2 数值方法及边界条件
• 4.3 模拟工况
• 4.4 计算结果及讨论
• 4.4.1 计算结果显示
• 4.4.2 转轮流量效率曲线
• 4.4.3 转轮的空化性能
• 4.4.4 计算结果分析
• 4.6 小结
• 第5章 水轮机全流道三维非定常并行数值模拟
• 5.1 模拟工况
• 5.2 网格划分
• 5.3 数值方法及计算条件
• 5.4 并行计算
• 5.5 三维定常计算结果和分析
• 5.5.1 蜗壳及导水机构流场计算结果及分析
• 5.5.2 转轮流场计算结果及分析
• 5.5.3 尾水管流场计算结果及分析
• 5.5.4 三维定常结果显示
• 5.5.5 三维全流场定常计算与单部件定常计算结果对比
• 5.6 三维非定常结果和分析
• 5.6.1 测点布置
• 5.6.2 动静干涉引起的水轮机引水部件的压力脉动
• 5.6.3 尾水管涡带引起的水轮机压力脉动
• 5.7 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文工作的主要结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表学术论文及参与项目情况