混流式水泵水轮机驼峰区非定常流动特性研究

发布时间：2017-09-06 00:07

  本文关键词：混流式水泵水轮机驼峰区非定常流动特性研究

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【摘要】：混流式水泵水轮机在现实运行中需要频繁的启动、停机、事故甩负荷、紧急事故停机、大波动的增减负荷以及发电转调相等一系列大幅度的工况变迁,其内部流动处于极其恶劣的湍流流动,与常规的水轮机和水泵相比,混流式水泵水轮机自身存在水泵驼峰区不稳定的区域。机组在泵工况驼峰区运行过程中,会导致机组强烈振动,甚至引发机组强烈破坏。驼峰区不稳定性是目前影响机组安全运行的重要问题,并且流道的湍流结构相对于常规的水轮机和水泵工况,要同时兼顾水轮机和水泵工况的特点,流场具有双向复杂旋转边界条件,其研究难度要远远大于常规的水轮机与水泵单向流道中的湍流问题。因此,通过试验研究和数值计算,研究水泵水轮机驼峰区的内流机理,分析其内部流动特性,改善运行曲线、一定程度消除不稳定性具有重要意义。本文对模型混流式水泵水轮机内部流场进行了非定常数值模拟,探讨分析了泵工况驼峰区的内部流动机理,研究了驼峰区的流场特性和压力脉动特性。研究内容如下:1.对活动导叶开度为21mm时混流式水泵水轮机泵工况进行全流道数值计算,获得外特性曲线,将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析,讨论数值计算方法的可靠性和可行性;根据非定常计算结果得到驼峰区内四个特征工况点的流场信息,包括显示中间断面和子午面上静压、流速、流线和湍动能等参数的分布规律,详细探讨了模型水泵水轮机在四个工况下内部流场的流动特性,分析了内部流动结构对外特性的影响,揭示了水泵水轮机泵工况驼峰区的内部流动机理。2.检测驼峰区四个工况点下混流式水泵水轮机内部各流动域的压力脉动,采集压力信号,运用快速傅里叶变换对信号进行处理,得到各个工况点脉动频域和时域特性,结合内部流动特征对各流动域进行压力脉动分析。研究结果表明:混流式水泵水轮机泵工况进入“驼峰区”时介质流入的流量减小,冲角增大,轴面速度变小,流体射向叶片的背面,在叶片工作面上出现流动分离、漩涡现象;双列叶栅内固定导叶、活动导叶的压力面及吸力面逐渐被低速区流体包围,这些低速流体形成漩涡阻塞了流道,能量损失变大,速度能转换成压力能效率降低。这些因素是驼峰区形成的主要原因。
【关键词】：水泵水轮机 CFD 驼峰区 非定常 压力脉动
【学位授予单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK733.1
【目录】：

• 摘要7-8
• Abstract8-10
• 第1章 绪论10-17
• 1.1 课题来源10
• 1.2 课题背景及研究意义10-13
• 1.2.1 我国抽水蓄能电站发展现状与潜力10-12
• 1.2.2 混流式水泵水轮机简介12-13
• 1.2.3 混流式水泵水轮机驼峰区不稳定性问题13
• 1.3 混流式水泵水轮机驼峰区国内外研究现状13-16
• 1.3.1 国外研究现状13-14
• 1.3.2 国内研究现状14-16
• 1.4 本文研究的主要问题16-17
• 1.4.1 问题的提出及意义16
• 1.4.2 论文研究的内容16-17
• 第2章 湍流基本理论及数值计算方法17-22
• 2.1 湍流流动控制方程17-19
• 2.1.1 质量守恒方程17
• 2.1.2 动量守恒方程17-18
• 2.1.3 能量守恒方程18
• 2.1.4 通用控制方程18-19
• 2.2 湍流基本理论介绍19-21
• 2.2.1 湍流数值模拟方法19-20
• 2.2.2 RNG k-ε湍流模型简介20-21
• 2.3 本章小结21-22
• 第3章 水泵水轮机全流道三维建模及网格划分22-29
• 3.1 混流式水泵水轮机模型的介绍22-23
• 3.2 三维模型的建立23-24
• 3.2.1 尾水管模型的建立23
• 3.2.2 转轮模型的建立23
• 3.2.3 活动导叶模型的建立23-24
• 3.2.4 固定导叶和蜗壳模型的建立24
• 3.3 计算域网格划分24-27
• 3.3.1 网格划分方法24-25
• 3.3.2 尾水管计算域网格25-26
• 3.3.3 转轮区域网格26
• 3.3.4 活动导叶区域网格26
• 3.3.5 蜗壳和固定导叶区域网格26-27
• 3.4 网格无关性验证27-28
• 3.5 本章小结28-29
• 第4章 混流式水泵水轮机全流道非定常分析29-42
• 4.1 数值计算方法和边界条件的确定29-30
• 4.1.1 边界条件的设定29
• 4.1.2 数值计算方法与收敛设置29-30
• 4.2 非定常数值分析值与试验值对比分析30-31
• 4.3 非定常内流特性分析31-41
• 4.3.1 中间截面流动特性分析31-36
• 4.3.2 子午面流动特性分析36-39
• 4.3.3 双列叶栅内流线分布特性39-41
• 4.4 本章小结41-42
• 第5章 驼峰区压力脉动分析42-51
• 5.1 压力脉动试验测量42-43
• 5.2 模型试验结果43-46
• 5.2.1 蜗壳出口44
• 5.2.2 导叶后转轮前44
• 5.2.3 锥管段44-45
• 5.2.4 肘管段45-46
• 5.3 压力脉动数值分析46-50
• 5.3.1 监测点布置46-48
• 5.3.2 不同工况对压力脉动特性的影响48-50
• 5.4 本章小结50-51
• 第6章 总结与展望51-54
• 6.1 主要研究结果51-53
• 6.2 展望53-54
• 参考文献54-59
• 致谢59-60
• 附录A 攻读学位期间公开发表的论文60

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