水力机械叶片翼型及转轮的数值模拟研究

论文摘要

水力机械作为通用机械在国民经济中发挥重要作用，其性能直接影响着工程的造价、性能、运行及维护的费用。转轮作为水力机械的核心部件，对其及其叶片的翼型进行深入研究，预测水力机械的性能，不仅具有理论意义，更具有工程实用价值。本文通过数值模拟方法，对水力机械中叶片的翼型及其转轮的水动力性能进行研究。文中建立了较为完善的计算流体动力学（CFD）分析模型，计算模型采取了标准κ-ε模型。计算过程中采取了非结构网格与混合网格，应用有限体积法，二阶迎风格式对控制方程组进行离散化处理，压力速度耦合采用SIMPLEC算法，平面翼型绕流时采用速度进口，自由出流，转轮的数值模拟时采用压力进、出口的边界条件。通过计算得到以下结论：1．得到组成叶片的五个孤立翼型平面绕流的升、阻力系数曲线。从叶片外缘到轮毂的五个翼型的最佳冲角依次大约为2°、2°、0°、-2°和-4°。2．对根据已知翼型设计出的泵体进行数值模拟，结果表明，数值模拟得到的泵Q-H曲线与泵的模型试验结果基本符合。3．转轮叶栅中翼型上表面的压力由翼型头部至翼尾部在不断减小，而下表面的压力由头部至尾部在不断增大。五个翼型均在翼型头部，压力变化比较快，且在翼型头部上、下表面的压力差最大。每个翼型均在靠近翼型头部的地方容易产生负压。4．比较了三个工况下，转轮叶栅中的翼型与孤立翼型绕流。同一翼型在相同冲角下的相同位置，叶栅中的翼型上、下表面压力均大于孤立翼型绕流时的压力；同一翼型，在叶栅中上表面的压力值变化比在孤立翼型绕流中变化小，而下表面压力叶栅中压力变化比孤立翼型绕流时大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.3 流体机械内部流场数值计算的研究
• 1.3.1 网格技术的概况
• 1.3.2 几种数学模型的研究
• 1.3.3 探索更有效的算法
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 湍流模型和数值模拟方法
• 2.1 流动基本方程
• 2.2 湍流及湍流模型
• 2.2.1 标准模型k-ε
• 2.2.2 标准k-ε模型的改进模型
• 2.2.3 壁面函数法
• 2.3 控制方程组的离散
• 2.3.1 离散方法
• 2.3.2 离散格式
• 2.3.3 方程的离散
• 2.3.4 压力—速度耦合关系
• 2.4 边界条件
• 2.4.1 边界条件概述
• 2.4.2 流动进口和出口边界条件
• 2.5 计算网格
• 2.5.1 概述
• 2.5.2 网格的类型
• 2.5.3 网格的优化
• 2.6 本章小结
• 第三章 二维翼型的数值计算
• 3.1 翼型的流体动力特性
• 3.2 翼型的数值求解
• 3.2.1 计算区域和网格划分
• 3.2.2 边界条件的设置
• 3.2.3 计算模式选择及求解参数设置
• 3.3 翼型计算结果分析
• 3.3.1 升阻力系数曲线
• 3.3.2 翼型表面的压力分布曲线
• 3.4 本章小结
• 第四章 转轮的数值计算
• 4.1 转轮的数值模拟
• 4.1.1 几何模型和网格生成
• 4.1.2 旋转模型的选择
• 4.1.3 边界条件及计算参数的设定
• 4.1.4 转轮计算结果及与试验结果的比较
• 4.2 设计工况下叶轮剖分断面的压力分布图
• 4.3 叶栅中的翼型和孤立翼型绕流时的压力系数分布的比较
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间发表的文章