长短叶片混流式水轮机数值模拟及压力脉动分析

论文摘要

本论文从计算流体动力学出发,对仅有长叶片的转轮（常规转轮）、带短叶片的转轮（长短叶片转轮）的混流式水轮机在两小流量（40%、60%额定流量）工况下,进行了定常、非定常数值模拟。对比分析了采用两种转轮水轮机全流道的流场分布,得出了长度叶片对水轮机内流场分布的影响情况。同时采用信号分析技术对长短叶片转轮水轮机全流道的压力脉动进行了分析。本文结合某水电站的HLA351-LJ-170型原型混流式水轮机的几何参数,利用专业的几何建模软件建立了该水轮机的全流道几何模型。并将全流道模型划分为220万个网格。其中对蜗壳、导水机构、转轮采用适应性强四面体网格；对尾水管采用六面体网格。在计算过程中,本文基于时间的时均N-S方程,用RNGκ-ε模型进行封闭,采用基于同位网格的SIMPLE算法对压力耦合方程组进行解耦。以定常模拟的结果作为非定常模拟的初始条件,非定常计算时间步设为0.001s,共计算了5s。在压力脉动分析时,截取2-5s的数据进行频谱分析。通过本文的研究,将为高水头混流式水轮机的开发和设计提供重要的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 CFD简介
• 1.4 常用CFD软件介绍
• 1.5 本论文的研究内容及主要工作
• 第二章 流体控制方程及其数值离散
• 2.1 控制方程的建立
• 2.1.1 笛卡尔坐标系下的流体运动方程
• 2.1.2 水轮机转轮中的流体运动方程
• 2.2 控制方程的离散
• 2.2.1 节点插值形函数
• 2.2.2 压力-速度耦合
• 2.2.3 控制方程中各项的离散
• 2.3 湍流理论
• 2.3.1 湍流简介
• 2.3.2 湍流的基本方程
• 2.3.3 水轮机数值模拟中常用的湍流模型介绍
• 2.4 壁面函数
• 2.4.1 近壁区流动
• 2.4.2 壁面函数
• 第三章 水轮机全流道非定常数值模拟
• 3.1 计算模型
• 3.1.1 几何模型
• 3.1.2 网格模型
• 3.2 水轮机模拟中动静交界面的处理
• 3.2.1 处理动静干涉的方法
• 3.2.2 滑移网格技术
• 3.3 计算工况的选取
• 3.4 水轮机全流道三维定常模拟
• 3.4.1 水轮机全流道湍流计算的边界条件
• 3.5 水轮机全流道三维非定常模拟结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 水轮机整机压力脉动分析
• 4.1 水轮机稳定性研究
• 4.2 傅里叶变换与频谱分析
• 4.2.1 傅里叶级数
• 4.2.2 傅里叶变换
• 4.2.3 离散傅里叶变换（DFT）
• 4.2.4 快速傅里叶变换（FFT）
• 4.3 各监测点压力的脉动及频谱分析
• 4.3.1 水轮机引水部件的压力脉动
• 4.3.2 尾水管压力脉动
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录A 攻读硕士学位期间发表论文
• 附录B 工况2下的非定常计算结果
• 附录C 工况1下采用常规转轮时整机各测点的压力脉动频谱分析