贯流式水轮机CAD/CFD设计平台研究

论文摘要

目前，我国可被开发的中高水头水力资源已经非常有限，低水头水力资源的开发再次成为国内水电行业关注的热点问题。贯流式水轮机为低水头水力资源开发的最佳机型。在我国，相比其它类型的水轮机，贯流式水轮机的研究起步晚，进展缓慢，目前可供选择的贯流式水轮机转轮类型非常有限。因此，在已有的优秀贯流式水轮机转轮的基础上，通过改进贯流式水轮机转轮设计方法，获得性能更加优良的转轮，提高贯流式水轮机的效率和运行稳定性，从而满足我国水电行业对高性能贯流式水轮机转轮的迫切需求，这将具有重要的意义。随着计算机技术的迅猛发展，CAD和CFD技术已基本发展成熟，Fluent等商用软件已被广泛地应用于水力机械的设计和性能预测。本文将CAD和CFD技术进行有机结合，构建了基于CAD/CFD的贯流式水轮机转轮的水力设计平台。该设计平台包括CAD、CFD两个软件包和一个水力模型数据库。经过比较和筛选，本文确定了合适的CAD、CFD和数据库的应用支撑软件及二次开发语言，为开发CAD/CFD设计平台奠定良好的基础。充分利用MDT的VBA二次开发环境，结合目前常用的贯流式水轮机转轮的工程实用选型设计方法与水轮机转轮叶片改型原理，搭建贯流式水轮机的CAD设计框架，开发了贯流式水轮机的CAD软件包。其中，包括对多年搜集的优秀水力模型进行总结，以此为基础，建立了水力模型数据库，实现了过流部件的选型设计及转轮改型设计。基于Fluent软件包的日志文件特征，应用VC++程序语言开发了贯流式水轮机的CFD软件包。针对河口电站贯流式水轮机原型，应用该CFD软件包，通过CFD技术对水轮机原型进行三维建模、网格划分，以及对贯流式水轮机流道内的三维流动进行数值模拟和分析，预测贯流式水轮机性能。基于所开发的CAD/CFD设计平台，通过反复的转轮叶片形状修改、流动模拟和性能预测，最终设计出具有良好性能的贯流式水轮机，实现对河口电站贯流式水轮机原型的改型设计，模型效率最终达到93%。该设计平台已经应用于企业，它大大缩短了贯流式水轮机的水力设计研制周期，增强了市场竞争力，为企业创造了较大的效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 贯流式水轮机 CAD/CFD 设计平台框架及工作流程
• 1.4 贯流式水轮机 CAD/CFD 设计平台特点
• 1.5 平台支撑软件及开发语言
• 1.5.1 Tubular—CAD 支撑软件及开发语言
• 1.5.2 Tubular—CFD 支撑软件及开发语言
• 1.5.3 水力模型数据库开发工具
• 1.6 贯流式水轮机 CAD/CFD 设计平台研究对象
• 1.7 本课题的主要研究工作
• 第2章 Tubular-CAD 软件包设计
• 2.1 Tubular-CAD 选型设计模块设计
• 2.1.1 选型设计方法的选择
• 2.1.2 选型设计步骤与基本参数确定
• 2.1.3 相似设计—模型换算法
• 2.1.4 Tubular-CAD 选型设计模块功能组成及流程设计
• 2.2 Tubular-CAD 叶片改型模块设计
• 2.2.1 叶片几何改型方法
• 2.2.2 Tubular-CAD 叶片改型模块设计流程
• 2.3 水力模型数据库的管理
• 2.3.1 基本数据管理
• 2.3.2 水力模型几何参数的管理
• 2.4 应用实例
• 2.4.1 选型设计模块应用实例
• 2.4.2 叶片改型模块应用实例
• 2.5 本章小结
• 第3章 Tubular—CFD 软件包设计
• 3.1 BuildGambit 模块设计
• 3.1.1 基本原理及设计流程
• 3.1.2 网格划分方法
• 3.2 RunFluent 模块设计
• 3.2.1 基本原理及设计流程
• 3.2.2 数值模拟计算方法
• 3.3 应用实例
• 3.4 本章小结
• 第4章 高效贯流式水轮机的设计与计算
• 4.1 河口贯流转桨式水轮机基本技术参数
• 4.2 三维几何模型及网格划分
• 4.3 数值计算方法
• 4.3.1 边界条件
• 4.3.2 湍流模型
• 4.3.3 速度—压力耦合方法
• 4.4 贯流式原型水轮机三维定常湍流计算
• 4.4.1 能量特性获取方法
• 4.4.2 最优工况协联点的确定
• 4.4.3 水轮机内部流动分析
• 4.5 贯流式原型水轮机最优工况的改型设计
• 4.5.1 贯流式水轮机的叶片改型方法
• 4.5.2 改型前后水轮机性能比较分析
• 4.5.3 改型前后水轮机内部流动分析
• 4.6 改型后贯流式模型水轮机三维数值模拟
• 4.6.1 改型后贯流式模型水轮机三维定常计算
• 4.6.2 改型后贯流式模型水轮机三维非定常计算
• 4.7 本章小结
• 第5章 结论
• 5.1 本文研究工作主要结论
• 5.2 研究工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果