混流式水轮机全流道内部三维流场数值模拟

发布时间：2017-03-17 20:02

  本文关键词：混流式水轮机全流道内部三维流场数值模拟，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】： 水轮机作为水电站的核心部件,对水电站的整体性能起着决定性的作用,水轮机技术的研究一直伴随着水电的开发在不断地发展。但是,国内外的不少水电站也因一些尚未解决的技术问题导致机组出现异常甚至过流部件的损坏,因此,还是存在着困扰水轮机安全高效稳定运行的一些技术难题亟待解决。另外,随着机组容量和尺寸的逐步增大,水轮机比转速不断提高,人们对于混流式水轮机的运行稳定性日益重视,这使得进行水轮机内部流场的模拟解析十分必要。总之,开展水轮机过流部件内部的定常及非定常流动分析对于深入了解水轮机振动的内在机理、改善水轮机的综合水力性能、提高水轮发电机组的运行稳定性具有十分重要的意义。 CFD技术以其特有的灵活性和周期短、花费小的多方面优势为研究者提供了一个新的有效研究手段。水力机械内部流场的CFD数值模拟是研究混流式水轮机性能指标的重要工具,它可以通过对水轮机各过流部件内部流动稳定场及非稳定场的详细模拟,了解过流部件内部的综合特性,为研究水轮机水力性能及稳定性提供理论基础。合理地使用水轮机内部湍流流动的数学模型和计算技术,进行水轮机全流道的流动模拟计算研究是可行的研究方法,也是水轮机流动计算研究的发展方向。水轮机单流道或单个过流部件的CFD模拟计算由于没有考虑各过流部件之间的耦合干涉,其预测结果也存在较大偏差,所以,非常有必要进行全流道的各过流部件耦合计算来预测水轮机的整体特性和内部流场特征。 本文结合某水电站的原型混流式水轮机几何参数来建立此水轮机的全流道几何物理模型。基于三维时均N-S方程对水轮机内部流动及特性进行三维数值模拟分析,首先采用标准κ-ε模型在不同导叶开度工况下对水轮机进行了多部件、动静耦合的定常湍流计算,获得了各工况下各过流部件内及动静部件间的流动细节,并预测了水轮机的能量和空化性能。在定常湍流计算的基础上,以其作为初始条件应用RNGκ-ε模型和滑移网格技术进行了水轮机动静干扰的非定常湍流数值模拟,得到的计算结果更接近实际流场的分布。对大涡模拟(LES)方法本文也进行了探索和尝试。计算结果表明水轮机中的水流处于复杂的湍流运动状态,转轮流道内夹杂着横向流动、脱流和回流等二次流动现象,整个流道内充满着各种涡旋,包括叶道涡、卡门涡、尾水管涡带等,对水轮机的效率和稳定性产生着巨大的影响。与单个过流部件的流动模拟相比,整体解析的边界条件更容易给定,只需指定蜗壳进口和尾水管出口的边界条件即可,计算结果跟实际情况更接近,因而能对水轮机的能量、空化特性做出更为准确的预估。
【关键词】：混流式水轮机 湍流 CFD 数值模拟
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TK733.1
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 绪论10-27
• 1.1 引言10-11
• 1.2 计算流体动力学(CFD)简介11-19
• 1.2.1 CFD的特点11-12
• 1.2.2 CFD的优势12-13
• 1.2.3 CFD的工作步骤13-14
• 1.2.4 CFD的研究进展14-18
• 1.2.5 CFD通用软件介绍18-19
• 1.3 叶轮机械内部流动数值模拟简介19-25
• 1.3.1 基本方程及流动分析20-23
• 1.3.2 湍流模型及选择23-24
• 1.3.3 水轮机流动数值模拟进展24-25
• 1.4 本论文的研究内容及主要工作25-27
• 第二章 流动描述及其数值模拟27-60
• 2.1 旋转叶轮中通用流动控制方程27-30
• 2.1.1 连续性方程27-28
• 2.1.2 动量守恒方程28-29
• 2.1.3 控制方程的通用形式29-30
• 2.2 湍流的数值模拟30-44
• 2.2.1 湍流的基本方程30-31
• 2.2.2 CFD中的三维湍流模型31-41
• 2.2.2.1 标准k-ε模型32-34
• 2.2.2.2 RNG k-ε模型34-36
• 2.2.2.3 大涡模拟(LES)36-41
• 2.2.3 近壁湍流模拟的壁面函数法41-44
• 2.2.3.1 动量方程中变量u的计算式42-43
• 2.2.3.2 湍动能方程与耗散率方程中k和ε的计算式43-44
• 2.3 基于有限体积法的控制方程离散及求解44-55
• 2.3.1 有限体积法的基本思想44-48
• 2.3.2 基于FVM的流体力学方程离散方法48-51
• 2.3.3 基于FVM的流场求解方法51-55
• 2.4 可动区域中流动问题的模拟55-60
• 2.4.1 旋转参考坐标系中的流动表述56-57
• 2.4.2 滑移网格技术简介57-60
• 第三章 水轮机物理模型及网格生成60-68
• 3.1 水轮机三维流道实体模型的建立60-63
• 3.2 三维网格生成63-66
• 3.2.1 网格类型及单元的分类63-65
• 3.2.2 非一致网格技术65
• 3.2.3 网格划分65-66
• 3.3 设定区域类型66-68
• 第四章 混流式水轮机全流道定常湍流计算及性能预估68-93
• 4.1 定常流动微分方程的有限体积法离散68-69
• 4.2 计算边界条件设置69-70
• 4.2.1 水轮机全流道的三维湍流计算的边界条件69-70
• 4.2.2 固壁表面流动条件的给定70
• 4.3 水轮机性能预估70-72
• 4.3.1 能量性能预估模型71
• 4.3.2 空化性能预估模型71-72
• 4.4 计算结果及分析72-92
• 4.4.1 原型水轮机的计算和性能预估结果72-74
• 4.4.2 原型水轮机三维定常湍流计算的结果和分析74-92
• 4.5 本章小结92-93
• 第五章 混流式水轮机非定常湍流数值模拟93-108
• 5.1 非定常流动微分方程的有限体积法离散93-95
• 5.2 混流式水轮机中三维非定常湍流计算方法95-97
• 5.2.1 水轮机流动分析技术的进展95
• 5.2.2 水轮机中三维非定常湍流计算95-96
• 5.2.3 水轮机中动静干扰流动的计算方法96-97
• 5.3 计算边界条件的给定97
• 5.4 原型水轮机的非定常湍流计算结果及分析97-103
• 5.4 混流式水轮机内的涡旋研究103-107
• 5.4.1 影响混流式水轮机稳定性的主要因素103-104
• 5.4.2 混流式水轮机尾水管涡带的特性104
• 5.4.3 混流式水轮机叶道涡的特性104-105
• 5.4.4 混流式水轮机卡门涡的特性105-106
• 5.4.5 混流式水轮机中涡旋产生的动力学原因106-107
• 5.5 本章小结107-108
• 第六章 结论与展望108-110
• 6.1 本文结论108-109
• 6.2 展望109-110
• 致谢110-111
• 参考文献111-115
• 附录A (攻读硕士学位期间发表论文)115-116
• 附录B (大涡模拟下的流场)116-118

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李继栋;曾永忠;刘小兵;欧顺冰;;低比速水轮机转轮副叶片对水力性能的影响[J];水电能源科学;2012年06期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 宋兵伟;混流式水轮机转轮上冠间隙流诱发的轴系不稳定性研究[D];大连理工大学;2010年

中国硕士学位论文全文数据库 前5条

1 王超;长短叶片混流式水轮机数值模拟及压力脉动分析[D];昆明理工大学;2010年

2 李明;水轮机筒阀动水关闭过程的三维非定常数值模拟[D];天津大学;2011年

3 王宏伟;长短叶片混流式水轮机的数值模拟与性能分析[D];西华大学;2010年

4 李继栋;低比速水轮机转轮短叶片对水力性能影响的研究[D];西华大学;2012年

5 李梦;车身外部扰流器对汽车气动特性的影响研究[D];吉林大学;2013年

  本文关键词：混流式水轮机全流道内部三维流场数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：253358