含沙水流条件下轴流转桨式水轮机内部流动数值研究

论文摘要

我国大部分河流属于多泥沙河流,含沙量均较高,对于运行在这些河流上的轴流式水轮机而言,其叶片很容易遭到泥沙冲击磨损的破坏,尤其是靠缝隙处,其边壁磨损较为严重,并且沙粒的存在还大大增加了空化的发生机率,使这些位置极容易发生空化,产生空蚀,磨损和空化的联合作用,相互促进,会导致非常严重的磨蚀。这不仅大幅度降低了轴流转桨式水轮机的水力性能,而且在很大程度上威胁着水轮机安全稳定性。因此,展开含沙河流中轴流转桨式水轮机内部流动特性的研究具有重要的理论意义与实际应用价值。本文对轴流转桨式水轮机在清水和水沙两相情况下的内部流动进行了数值模拟,并进一步分析了这两种不同工况下水轮机的空化性能。论文的主要研究内容及结论如下：采用CAD三维实体造型技术,对轴流转桨式水轮机活动导叶、转轮过流通道进行实体建模,采用非结构化网格对其进行网格划分。对清水及水沙两相两种情况下水轮机内部流动进行了数值模拟。分别采用双流体模型和颗粒轨道模型模拟了水沙固液两相条件下水轮机转轮内部流动。其中,采用双流体模型揭示了不同粒径、不同浓度下,转轮叶片上压力、速度和沙粒浓度的分布规律；采用颗粒轨道模型计算阐明了不同工况不同粒径下,转轮叶片的磨损部位及程度。研究结果表明：大流量工况磨损严重,主要磨损部位集中在叶片头部,叶片压力面出水边,小流量工况磨损较轻,且主要位于叶片压力面轮缘处；沙粒浓度越大,粒径越大,分布越集中,对转轮的磨损越大,效率下降的幅度越大。为研究空化与磨损的联合作用,采用完整空化模型和混合均匀三相流模型对水轮机清水工况及含沙水流下的流动进行了数值模拟,获得了不同工况点下转轮叶片可能发生空化的部位、空化强弱程度以及效率的变化情况。研究结果表明：含沙水流的空化比清水空化程度严重,而且随着含沙浓度,沙粒粒径的增加,转轮叶片的空化性能变差,效率随着含沙浓度的增加直线下降。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 空化的研究进展
• 1.2.1 空化现象
• 1.2.2 空化空蚀机理
• 1.2.3 空化类型
• 1.2.4 国内外空化的研究现状
• 1.3 转轮内部磨损的研究
• 1.3.1 磨损机理
• 1.3.2 磨损的试验研究进展
• 1.3.3 磨损的数值研究进展
• 1.4 空化与磨损联合作用的研究进展
• 1.4.1 理论研究
• 1.4.2 试验研究
• 1.5 存在问题
• 1.6 本文主要研究内容
• 2 计算流体动力学基础理论
• 2.1 计算流体动力学研究方法概述
• 2.2 控制方程
• 2.3 湍流模型
• 2.3.1 标准k-ε模型
• 2.3.2 RNGk-ε模型
• 2.4 多相流数值模拟理论基础
• 2.4.1 多相流现象及分类
• 2.4.2 多相流数学模型概述
• 2.4.3 多流体模型
• 2.4.4 颗粒轨道模型
• 2.4.5 多相流模型的评价
• 2.5 网格生成技术
• 2.5.1 结构化网格
• 2.5.2 非结构化网格
• 2.6 本文计算域及网格生成
• 2.7 本章小结
• 3 清水空化两相流计算
• 3.1 空化两相控制方程
• 3.2 边界条件
• 3.3 清水空化两相流数值解法
• 3.4 计算结果分析
• 3.4.1 压力分布
• 3.4.2 叶片上空泡体积浓度的分布
• 3.4.3 效率的变化
• 3.5 本章小结
• 4 水沙固液两相流数值计算
• 4.1 欧拉方法计算结果分析
• 4.1.1 欧拉方法计算工况点
• 4.1.2 边界条件
• 4.1.3 欧拉方法数值解法
• 4.1.4 叶片上压力分布规律
• 4.1.5 轴向速度变化
• 4.1.6 不同工况下叶片表面上沙粒浓度的分布
• 4.1.7 含沙浓度对效率的影响
• 4.2 拉格朗日方法计算结果分析
• 4.2.1 拉格朗日计算工况点
• 4.2.2 边界条件
• 4.2.3 拉格朗日数值解法
• 4.2.4 磨损部位的预测
• 4.3 本章小结
• 5 含沙水流空化计算
• 5.1 计算工况点
• 5.2 控制方程
• 5.3. 边界条件
• 5.4 同一含沙浓度不同粒径空化计算结果分析
• 5.4.1 压力分布
• 5.4.2 空泡体积组分分布
• 5.5 同一粒径不同含沙浓度下空化计算结果分析
• 5.5.1 压力分析
• 5.5.2 速度结果分析
• 5.5.3 空化分析
• 5.5.4 效率分析
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献