论文题目: 混流式水轮机全部通流元件的三维湍流流场分析与性能预测
论文类型: 博士论文
论文专业: 农业电气化与自动化
作者: 辛喆
导师: 常近时
关键词: 水轮机,通流元件,流动计算,性能预测
文献来源: 中国农业大学
发表年度: 2005
论文摘要: 随着叶片式水力机械向大型化方向发展,工程上对水轮机的能量特性、空化性能和稳定性又提出了更高的要求。从国外在高性能水轮机设计上所取得的成就来看,采用现代流动计算技术获得准确详细的内部流动是成功设计高性能水轮机的重要保证。因此,充分了解和掌握水轮机各过流部件的流动特性,对于正确预测水轮机的性能及提高设计水平具有重要的意义。 水轮机内部真实的流动是不稳定的、三维粘性不可压缩湍流。本文在三维时均N-S方程的基础上,运用标准k-ε模型和RNGk-ε模型对一模型混流式水轮机引水元件、转轮和尾水管进行了单独计算和联合计算,数值模拟了水轮机各通流元件内部三维湍流流场,并根据流场计算结果对水轮机的能量性能和空化性能进行了预测。 通过对蜗壳、座环和导叶进行联合计算,得到了引水元件内部合理的压力和流速分布,得出速度矩在整个蜗壳内部的分布与v_uR=常数的设计理论相符、蜗壳设计中蜗壳山口径向述度沿周向均布的假设是合理的结论,并根据座环支柱进口水流方向以及导叶出口水流速度及环量沿周向的不均匀分布,为座环的水力设计和转轮三维湍流计算提出参考意见。 根据引水元件内部流场计算结果,本文还对引水元件水力损失进行了计算与分析。研究表明,随着网格密度的增加,计算精度提高;对叶片附近进行细密的网格划分,可明显提高计算精度;进口边界条件中参数的正确设置是非常重要的:在合适的网格密度、局部网格加密和计算参数的正确设置下,采用压力出口边界条件计算的引水元件水力损失与实际较为吻合;计算域出口位置对引水元件水力损失的计算影响较小。 通过模型水轮机转轮单流道三维定常湍流计算和转轮与尾水管三维定常湍流联合计算的结果对比可见,两者都可以得到水轮机通流元件内部的流动细节,但从转轮效率的计算结果可以看到,单流道计算结果更为合理,考虑引水元件和转轮水力损失后的水轮机效率与实测值更为接近。本文在现有计算资源条件下,针对一模型水轮机,提出了一种将多部件联合计算与转轮单流道计算相结合的方法,对水轮机能量性能进行了预测,本模型水轮机计算效率的最大相对误差仅为为0.9%。该方法现实可行且精度较高,对水轮机能量性能预测有一定的参考价值。 本文根据模型水轮机转轮单流道三维定常湍流数值模拟结果,用理论计算的方法得到了水轮机转轮的初生空化系数,并与实测的水轮机临界空化系数进行了比较。由计算结果可见,计算值和实测值的变化规律相同,数值大小符合实际。 本文所取得的研究成果对优化混流式水轮机的设计,正确进行水轮机通流元件的数值计算,正确预测水轮机的水力性能具有重要的指导意义,具有广泛的工程应用前景。
论文目录:
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 大型水轮机的现状与发展
1.2.1 水轮机能量性能预估和水力设计优化
1.2.2 空化研究进展
1.2.3 水轮机稳定性的研究
1.3 水轮机CFD技术发展趋势
1.3.1 概述
1.3.2 水轮机中三维定常湍流计算
1.3.3 水轮机中三维非定常湍流计算
1.3.4 联合计算
1.3.5 固液两相流和三维空化流计算
1.4 本文的研究背景和主要工作内容
第二章 水轮机内部流动三维湍流计算方法
2.1 水轮机内部流动计算方法综述
2.2 描述水轮机内部流动的基本方程
2.3 控制方程的离散
2.4 三维不可压N-S方程的数值解法
2.4.1 耦合式解法
2.4.2 分离式解法
2.5 湍流的数值模拟方法和湍流模型
2.5.1 湍流的数值模拟方法
2.5.2 湍流模型
2.6 本章小结
第三章 水轮机模型试验
3.1 引言
3.2 哈电高水头水力机械模型试验台简介
3.2.1 哈电高Ⅱ台主要参数
3.2.2 哈电高Ⅱ台结构系统
3.2.3 试验台主要参数测量设备及校准方法
3.2.4 试验台数据采集和处理系统
3.3 岩滩水电站模型转轮试验
3.3.1 岩滩水电站模型转轮的主要装置参数
3.3.2 岩滩水电站模型转轮的能量特性试验
3.3.3 岩滩水电站模型转轮的空化试验
3.3.4 岩滩水电站模型转轮的振动试验
3.4 本章小结
第四章 混流式水轮机引水元件三维湍流流场计算
4.1 引言
4.2 基本方程与湍流模型
4.3 计算域的网格划分及方程的数值解法
4.4 边界条件
4.4.1 进口条件
4.4.2 出口条件
4.4.3 固壁条件
4.5 计算结果分析及比较
4.5.1 计算模型水轮机的主要参数
4.5.2 计算工况点
4.5.3 计算结果的分析及比较
4.6 本章小结
第五章 水轮机转轮和尾水管三维定常湍流计算
5.1 引言
5.2 转轮和尾水管三维定常湍流计算方法
5.2.1 控制方程
5.2.2 转轮和尾水管联合计算控制域的建立
5.2.3 计算域网格划分
5.2.4 控制方程的求解
5.2.5 湍流模型的选取
5.2.6 边界条件的给定
5.3 转轮和尾水管三维定常湍流计算的结果与分析
5.3.1 计算工况点的选取
5.3.2 流场计算结果及分析
第六章 混流式水轮机转轮单流道流场计算
6.1 引言
6.2 水轮机三维定常湍流计算方法
6.2.1 基本方程
6.2.2 计算域的建立与网格划分
6.2.3 控制方程的数值解法
6.2.4 湍流模型的选择
6.2.5 边界条件
6.3 计算结果及分析
6.3.1 计算模型转轮的主要参数
6.3.2 计算工况点
6.3.3 计算结果的分析及比较
6.4 水轮机转轮单流道流场计算总结
第七章 结论与展望
7.1 主要研究内容与结论
7.2 创新点
7.3 存在的不足与今后工作的展望
参考文献
致谢
附录. HLA296-35水轮机综合特性曲线
作者简介
发布时间: 2006-04-05
参考文献
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- [5].大型混流式水轮机水力稳定性研究[D]. 张双全.华中科技大学2008
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