混流式水轮机在含沙水流下的空化特性研究

发布时间：2020-09-28 09:52

　　中国大部分河流中都含有大量泥沙,运行在这些河流上的混流式水轮很容易受到泥沙的冲击磨损,尤其是叶片靠缝隙处的边缘磨损更为严重。同时河流中的泥沙也使得更加容易发生空化现象,随之产生的空蚀与泥沙磨损联合作用于水轮机叶片,进一步导致了更严重的磨蚀,极大地降低水轮机的效率与水电机组的稳定性。因此,为提高水轮机的抗空化、磨损能力并改善其优化设计方法,亟待探究空化、泥沙磨损以及两者联合作用机理。然而影响空化、磨损及两者联合作用行为的因素十分复杂,既有速度、压力等流场参数,又有沙粒和材料特性等,且目前该方面的研究大多聚焦在实验研究,缺少相关的数值仿真研究。基于以上问题,本文基于数值模拟方法对含沙水流中混流式水轮机在清水和含沙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,具体包括以下步骤：1)采用UG三维实体建模软件对混流式水轮机的蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的过流通道进行实体建模,并采用四面体、六面体非结构化网格进行划分；2)对混流式水轮机的清水空化进行了研究,采用了SST k-湍流模型,结合基于均值空化流理论的输运空化模型(Zwert-Gerber-Belamri空化模型),对不同进口流量、空化系数和导叶开度工况下的空化模拟计算结果进行了比较分析；3)对水轮机含沙空化的数值模拟来研究空化与磨损的联合作用,采用欧拉模型和空化模型来计算三相的作用,获得了不同泥沙粒径和浓度下泥沙磨损与空化的相互影响关系以及出力变化情况。结果表明,在清水情况下,随着进口流量的增大,转轮背面靠近下环出口处的空化区域先增大后减小,转轮区的叶道涡先减小后增大,但是没有引起叶道涡空化。随着空化系数的降低,转轮背面的空化区域逐渐增大。随着导叶开度的减小,叶片背面的空化区域逐渐减小,并且在小开度下出现了叶道涡空化。在低于最优效率点流量时,尾水管进口处出现螺旋涡带,在高于最优效率点流量时,尾水管进口处出现泡状涡带。在空化工况下,水轮机的效率比非空化工况下的低。在含沙情况下,随着泥沙粒径及含沙浓度的增加,泥沙从叶片背面进口处向正面出口处大量聚集。在空化对泥沙磨损的影响上,空化计算时转轮区的泥沙浓度会大于等于非空化计算的泥沙浓度；在泥沙磨损对空化的影响上,随着泥沙粒径及含沙浓度的增加,转轮中的空泡含量出现先增大后减小的趋势；在对尾水管涡带的影响上,随着泥沙粒径的增加,水轮机的稳定性会下降。在泥沙磨损对效率的影响上,随着泥沙浓度的增加,转轮的出力变小。以上对水轮机内部流动特性的研究结果对提高混流式水轮机的效率和稳定性具有一定的理论参考意义和实际应用价值。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TV734.1;TV136.1
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 空化的研究进展
        1.2.1 空化现象及空蚀破坏
        1.2.2 空化的形式
        1.2.3 空化的国内外研究现状
    1.3 泥沙磨损研究进展
        1.3.1 磨损机理
        1.3.2 泥沙磨损研究现状
    1.4 泥沙磨损与空蚀联合作用的研究进展
        1.4.1 泥沙磨损与空蚀联合作用机理
        1.4.2 泥沙磨损研究现状
    1.5 主要研究内容
2 空化理论基础
    2.1 压力系数和空化数
    2.2 空化初生与空化核
    2.3 空泡动力学方程
    2.4 空化物理模型
        2.4.1 直接两相流模型
        2.4.2 平均化模型
    2.5 含沙空化物理模型
    2.6 本章小结
3 混流式水轮机三维清水空化计算
    3.1 水轮机三维流道模型的建立
    3.2 网格划分
    3.3 湍流模型
    3.4 控制方程计算设置
        3.4.1 控制方程边界条件
        3.4.2 求解器设置
        3.4.3 计算工况
    3.5 计算结果
        3.5.1 网格无关性验证
        3.5.2 水力验证
        3.5.3 进口流量对空化的影响
        3.5.4 空化系数对空化的影响
        3.5.5 导叶开度对空化的影响
        3.5.6 流量对尾水管涡带的影响
        3.5.7 空化对效率的影响
    3.6 本章小结
4 混流式水轮机三维含沙空化计算
    4.1 控制方程及边界条件设置
    4.2 计算工况
    4.3 计算结果
        4.3.1 泥沙粒径及浓度对转轮区压力的影响
        4.3.2 泥沙粒径及浓度对转轮区泥沙分布的影响
        4.3.3 不同泥沙粒径及浓度对转轮空化的影响
        4.3.4 不同泥沙粒径及浓度对尾水管涡带的影响
        4.3.5 不同泥沙粒径及浓度对转轮出力的影响
    4.4 本章小结
5 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
6 参考文献

【参考文献】