中比转速混流式水轮机转轮内部叶道涡模拟研究

论文摘要

水轮机是水电站的核心设备,其最重要的三个性能指标是:效率、空化和稳定性,分别关系到机组对水能的利用程度、机组的寿命和机组能否安全正常运行。转轮是水轮机最为关键的部件,其性能的高低直接影响到水轮机的三个性能的好坏;同时也是最容易因设计不当或运行不合理等原因而遭到破坏的部件之一。因此,研究转轮内部流场,对转轮内部流动的速度、压力等进行分析,对于提高水力发电机组的效率和运行稳定性、减少空化的发生以及适应现代化水电机组朝大型化发展的趋势等具有重要的意义。随着混流式水轮机的不断发展,发现除了尾水管涡带和卡门涡这些熟知的影响水轮机稳定运行的水力振动外,还存在一系列值得关注的水力不稳定现象,其一就是叶道涡。本文以某具体电站混流式水轮机为例,对转轮区域进行了三维非定常流动模拟计算,得出了多个典型工况下的速度场、压力场及不同测点的压力脉动,研究分析了不同工况下,同一周期不同时刻转轮区域的叶道涡情况。模拟结果显示,在高于设计水头时脱流发生在上冠叶片进口的背面,低于设计水头时,脱流发生在叶片正面进口边。对各测点上压力脉动波形进行FFT(快速傅立叶变换)后获得了各测点压力脉动的频率特性,计算结果确定了叶道涡的频率特征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题名称
• 1.2 课题背景及意义
• 1.3 国内外现状和发展趋势
• 1.4 本文主要工作
• 2 湍流流场解析的基本理论和计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 基本方程
• 2.2.1 连续性方程和动量方程
• 2.2.2 湍流运动连续性方程
• 2.2.3 湍流运动动量方程
• 2.2.4 湍流能量方程
• 2.3 湍流模型
• 2.3.1 湍流粘性模型简介
• 2.3.2 标准κ-ε模型
• 2.3.3 RNG k-ε模型
• 2.4 网格技术
• 2.4.1 结构化网格
• 2.4.2 非结构化网格
• 2.4.3 滑动网格模型
• 2.4.4 Gambit 网格划分
• 2.5 控制方程的离散
• 2.5.1 离散方法
• 2.5.2 时间离散
• 2.5.3 离散方程的求解
• 3 混流式水轮机叶道涡的理论分析
• 3.1 引言
• 3.2 叶道涡的理论分析
• 3.3 变工况下水轮机的运行变化
• 3.4 产生叶道涡的原因
• 3.5 预防叶道涡的途径
• 3.6 修复方法
• 4 混流式水轮机转轮的叶道涡模拟计算
• 4.1 引言
• 4.2 水轮机的参数
• 4.3 转轮几何模型的建立及网格划分
• 4.3.1 绘制及导入叶片木模图曲线
• 4.3.2 确定上冠最高点和叶片尖点
• 4.3.4 叶片模型和网格划分
• 4.4 计算步骤
• 4.4.1 读入模型
• 4.4.2 选择解的格式
• 4.4.3 定义物理模型
• 4.4.4 指定流体物理性质
• 4.4.5 边界条件的确定
• 4.4.6 调整解的控制
• 4.4.7 流场初始化
• 4.4.8 CFD 迭代计算
• 4.5 选取工况点
• 4.6 计算结果及分析
• 4.6.1 小流量工况下计算结果
• 4.6.2 设计工况下计算结果
• 4.6.3 大流量工况下计算结果
• 4.7 本章结语
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢