水轮机筒阀动水关闭过程的三维非定常数值模拟

论文摘要

本文主要围绕水轮机筒阀动水关闭过程,以掌握筒阀水力特性、预测水轮机工作状态、研究更为合理的筒阀运动方式等为目的,重点对筒阀动水关闭过程运用计算流体力学（CFD）的方法进行了全流道三维非定常的流动数值模拟,研究两种关闭方式的水力特性,以及筒阀下边缘形状对流场影响等内容。论文的主要研究内容与成果如下:（1）结合南沙水电站筒阀动水关闭过程,本文选用计算流体力学方法中的重组化群k-ε（RNG k-ε）湍流双方程模型,多相流模型中的Mixture模型,采用SIMPLEC算法来求解不可压缩运动方程,并使用动网格与滑移网格技术,充分考虑筒阀与邻近部件相互影响的基础上,以水轮机全流道为研究对象,对水轮机筒阀两种不同的动水关闭过程进行了三维非定常的数值模拟,较真实的模拟了紧急动水关闭时筒阀及其周边引流部件的流场、压力分布等水力特性。（2）以目前水电站常用的水轮机筒阀60秒动水关闭方式和一种优化的两段式26秒动水关闭过程为研究模型,进行数值模拟,并得到两种关闭方式筒阀不同开度处的筒阀内、外表面与底面的压力分布云图,和筒阀阀体周边压力场、速度场等流场的流态分布状况,以及在筒阀关闭过程中阀体的受力状况,筒阀附近包括蜗壳、转轮、导叶等在内的过流部件的流场特征等,并通过对比分析两种动水关闭方式中水力特性结果的异同,为研究更为合理的筒阀运动方式给出相应的理论指导意义,同时也为水轮机的水力设计与优化提供重要参考依据。（3）运用CFD方法对弧形下边缘形状的筒阀模型进行仿真模拟,得到了该模型60秒动水关闭方式下筒阀阀体周边压力场、速度场以及筒阀底面压力等流场分布特征,并与同种关闭方式下小倾斜度下边缘模型的筒阀数值模拟结果进行对比分析,得到两种下边缘形状对筒阀阀体周边流场随时间变化的细节影响及其水力特性的异同,为筒阀下边缘形状的水力设计与优化提供了参考依据。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 水轮机筒阀在国内外的应用现状
• 1.3 计算流体力学在水轮机设备研究中的现状
• 1.3.1 计算流体力学（CFD）简介及国内外的发展状况
• 1.3.2 计算流体力学在水轮机设备中国内外的研究现状
• 1.4 水轮机筒阀动水关闭过程全流道模拟的现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 水轮机筒阀水力特性研究的流动描述与模拟方法
• 2.1 引言
• 2.2 控制方程与计算控制域的选择
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 控制方程的选择
• 2.2.4 计算控制域的选择
• 2.3 控制方程求解方法的选择
• 2.3.1 控制方程的离散与常见离散格式
• 2.3.2 流场迭代的求解方法
• 2.4 网格划分与动网格滑移网格技术
• 2.4.1 网格生成技术
• 2.4.2 动网格与滑移网格
• 2.5 多相流模型
• 2.6 本章小结
• 第三章 两种动水关闭方式的三维非定常数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 边界条件的给定与计算工况的选择
• 3.2.1 边界条件
• 3.2.2 计算工况
• 3.3 动水关闭过程水力特性计算与结果分析
• 3.3.1 筒阀的表面压力分布
• 3.3.2 水轮机筒阀阀体周边流场的流态分析
• 3.3.3 水轮机筒阀阀体的受力分析
• 3.3.4 水轮机筒阀附近过流部件的流场计算结果与分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 不同筒阀下边缘形状对周边流场的影响
• 4.1 引言
• 4.2 边界条件的给定与计算工况的选择
• 4.2.1 不同的筒阀下边缘尺寸与形状介绍
• 4.2.2 边界条件
• 4.2.3 计算工况
• 4.3 不同筒阀下边缘阀体周边流场的流态分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 工作展望
• 参考文献
• 参加的科研项目和完成的学术论文
• 致谢