高比转速混流式水轮机水力模型开发方案研究

论文摘要

近几年,随着计算流体动力学——CFD技术的日趋成熟,在水轮机模型的开发研究和内部流场分析的应用也越来越广。CFD数值计算技术能较准确地获得水轮机内部流场分布及过流部件内部流动状态信息,为研究水轮机水力模型的水力性能与稳定性提供理论与现实依据,是成功设计出高性能的水轮机水力模型和对现有的水轮机进行优化改型的有效手段。在低水头段水轮机的设计中,高比转速混流式水轮机效率高且高效区宽、结构紧凑、运行稳定、使用寿命长等优势,备受中小水电站青睐为此,开发出性能优良的高比转速混流式水轮机水力模型,能更加合理、充分和有效地利用水力资源,把潜在的资源优势转化成经济效益和社会效益,意义十分重大。本课题针对较低水头段水力资源的开发利用,参照水头段和比转速相近、性能优良的已有水力模型全流道的几何参数,采用Pro/E三维造型软件和ICEM软件设计出高比转速HL300水轮机水力模型初始方案,并进行了全流道网格划分,为提高过流部件内部流动CFD数值模拟精度及其性能预测的准确性奠定可靠的基础。CFD数值模拟,运用雷诺时均Navier-Stockes方程和RNGκ-ε湍流模型,利用SIMPLEC算法,对初始设计方案的内部流动典型工况共25个计算工况点的流动状况进行了数值计算和模拟,进行模拟计算；依据模拟结果对该水力模型尤其是转轮,进行了全流道的反复计算与修型的改进；预估了水力模型各工况下的效率和空化性能。本文的主要创新点1、采用AutoCAD所提供的混流式水轮机叶片二维截面木模图,将其导入Pro/E生成三维立体图形,数据之间传递较为方便,表达准确直观。2、针对叶片进口边和上冠交点不能直接导入的问题,采用叶片延展和虚拟上冠的方法,将叶片上部截面曲线延长,借鉴比转速相近的性能优良的叶片进口边和下环型线切割延展后的叶片,以期获得良好的叶片进口条件和下环处的流动条件。并依据流场分析的模拟结果调整翼型,保证叶片表面的平顺光滑性。3、设计出了一个性能良好的转轮及过流部件水力模型方案。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 水轮机内部流动数值计算方法
• 2.1 水轮机内部流动及其水力性能的研究方法
• 2.2 水轮机CFD计算方法介绍
• 2.2.1 旋转叶轮中湍流流动的基本方程
• 2.2.2 基本方程的解法
• 2.2.3 常用湍流的模拟计算方法
• 2.2.4 混流式水轮机三维湍流模型发展
• 2.3 通用商业CFD软件介绍
• 2.4 本章小结
• 第3章 混流式水轮机三维造型
• 3.1 引言
• 3.2 混流式水轮机主要设计参数
• 3.3 混流式水轮机叶片的三维造型
• 3.3.1 木模图的导入
• 3.3.2 叶片表面延展
• 3.3.3 叶片尖点的确定
• 3.3.4 叶片表面的生成
• 3.3.5 叶片表面的光滑性检查
• 3.3.6 叶片实体的生成
• 3.3.7 叶片的切割修型
• 3.3.8 叶片进口边倒圆
• 3.4 转轮实体的生成
• 3.4.1 叶片的阵列
• 3.4.2 上冠下环的生成
• 3.5 其余过流部件的三维造型
• 3.6 本章小结
• 第4章 混流式水轮机数值计算的网格技术
• 4.1 数值计算的网格技术
• 4.2 计算域网格的划分
• 4.2.1 网格生成的要求
• 4.2.2 结构化网格
• 4.2.3 非结构化网格
• 4.2.4 非结构网格的光滑技术
• 4.2.5 混合网格
• 4.2.6 网格划分软件的选取
• 4.2.7 网格划分过程
• 4.3 本章小结
• 第5章 混流式水轮机流场CFD数值模拟计算
• 5.1 引言
• 5.2 流场计算工况点选取说明
• 5.2.1 水轮机的计算工况表
• 5.3 过流部件内部流场的计算结果及分析
• 5.4 三维湍流计算结果显示
• 5.4.1 蜗壳
• 5.4.2 导水机构
• 5.4.3 转轮叶片
• 5.4.4 尾水管
• 5.5 水力模型开发方案的性能预估
• 5.5.1 性能预估结果
• 5.5.2 转轮的空化性能分析
• 5.6 本章小结
• 结束语
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间公开发表的论文