静止系射流与旋转系移动水膜流间时空相互干涉

论文摘要

为了进行冲击式水轮机水斗的优化设计,提高冲击式水轮机整体水力性能,本研究开发了可计算静止系射流与旋转系移动水膜流之间的时空同期干涉的流体解析软件。利用该解析软件得到冲击式式水轮机各个时空同期非定常流动解析,实现了水斗内不可见流的可视化,为冲击式水轮机水斗优化设计提供理论依据和技术支持。本文首先定义了描述水斗形状的直角水斗坐标系,用于分析射流的静止坐标系及转动的旋转坐标系,说明了不同坐标系之间的坐标变换。利用边界贴体网格描述水斗复杂的三维形状,计算了局部非正交曲线坐标系下贴体网格点的自然基本矢量及偏微分。基于微分几何,提出利用边界贴体网格点来进行空间局部自由曲面的创建理论,为流动数值解析作准备。利用不同坐标系下的位移、速度、加速度三角形理论来进行静止系射流与旋转系移动水膜流间时空同期干涉的矢量分析。在静止坐标系下,利用微分几何阐述了自由射流与水斗内移动水膜流之间的时空同期相互干涉,成功开发了自由射流时空同期着陆于水斗三维曲面的计算软件。在旋转坐标系下,利用微分几何阐述了着陆于水斗的新水膜流与水斗上已存在的旧水膜流之间的时空同期相互干涉,成功完成了新旧水膜流动及水斗中部分不可见流可视化的计算软件。本研究利用边界贴体网格描述了冲击式水轮机水斗复杂的三维几何形状,基于微分几何创建了空间局部三维自由曲面,进而进行了流动数值解析,根据流动解析结果对水斗进行优化设计。依照水斗在旋转坐标系下的安装进行了比转速的定义,对于任何比转速的冲击式水轮机都可以进行静止系射流与旋转系移动水膜之间时空同期干涉的流动解析及预测。完成了射入水斗的入射面和被水斗缺口分离的偏流射流的后缘面计算,使流入水斗两分支自由射流三维形状的时空同期可视化成为可能。分析射入水斗的新水膜流与已存在的旧水膜流之时空干涉流动,使新旧水膜流时空同期干涉的三维可视化成为可能。本论文提出的时空同期干涉计算软件,不需要使用高价服务器,也不需要长时间的计算,只要在普通的计算机上在非常短的时间内即可完成时空同期的有效流量、无效流量、欧拉能量、转轮力矩、水力效率预测等的计算,可以进行水斗的优化设计。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 冲击式水轮机国内外研究现状
• 1.3 本研究的主要内容
• 第二章 坐标系及坐标转换
• 2.1 用于设计的基本水斗坐标系
• 2.2 旋转坐标系下的水斗安装
• 2.3 三维自由曲面在边界贴体网格上的创建
• 2.3.1 水斗曲面边界贴体网格离散
• 2.3.2 边界贴体网格点自然基本矢量计算
• 2.3.3 贴体网格点偏微分计算
• 2.3.4 基于微分几何的微小曲面创建
• 2.4 静止坐标系下的自由射流
• 2.5 坐标系间坐标转换
• 2.5.1 冲击式水轮机非定常流动的时空离散
• 2.5.2 水斗BFG 坐标和转轮坐标在相关iF下的转化
• 2.5.3 静止坐标与旋转坐标的相互转换
• 2.6 数值解析软件流程
• 2.6.1 动画解析法的基本流程
• 2.6.2 数值解析程序的功能模块
• 2.7 本章小结
• 第三章 静止坐标系射流在水斗上的时空同期三维落点
• 3.1 静止坐标系下矢量三角形
• 3.2 静止坐标系下自由射流的三维落点
• 3.2.1 自由射流在缩流位置的网格离散
• 3.2.2 缩流位置的射流网格点位置及流量计算
• 3.2.3 自由射流在当前水斗上的三维落点
• 3.3 自由射流的非定常后缘面
• 3.3.1 计算相对轨迹
• 3.3.2 计算射流追击当前水斗时刻
• 3.4 三维自由射流与旋转水斗可视化
• 3.4.1 自由射流入射面的可视化
• 3.4.2 自由射流后缘面可视化
• 3.4.3 静止系射流和旋转水斗的时空相互干涉
• 3.4.4 射流入射点与缺口底部干涉
• 3.4.5 模型试验和数值结果的比较
• 3.5 本章小节
• 第四章 旋转系下新旧水膜间时空同期相互干涉
• 4.1 非定常坐标平移理论
• 4.2 水膜移动的加速度三角形理论
• 4.3 自由曲面上流体网格移动计算过程
• 4.3.1 iF=0 时刻的数据准备
• 4.3.2 旧水膜流体网格解运动学方程的移动计算
• 4.3.3 新水膜的内移动边界（IMB）的寻找方法
• 4.3.4 坐标系平移数值计算
• 4.3.5 依据速度三角形理论的水力梯度数值计算
• 4.3.6 流体节点向自由曲面的投影
• 4.4 新旧水膜间的干涉研究
• 4.5 冲击式水轮机水力性能数值预测
• 4.6 本章小结
• 结论
• 本文的主要结论
• 对今后研究工作的展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的研究成果
• 致谢
• 附件