水泵水轮机泵工况导叶动态数值模拟分析

发布时间：2020-07-22 06:32

【摘要】：随着社会的发展,人们对于电力需求的不断增大,为了能够更加高效合理的利用清洁能源,兼具发电和蓄能作用的水泵水轮机起到了十分重要的作用,其在变换工况过程中出现的不稳定现象,将严重影响机组的稳定性。本课题以模型水泵水轮机为研究对象,采用CFD技术针对泵工况导叶开启过程进行瞬态数值模拟研究,从流道内部产生压力脉动入手,对泵工况进行导叶固定开度和导叶运动的瞬态数值模拟,分析整机内部压力、流线和旋涡的分布与压力脉动可能存在的联系。具体研究内容如下:(1)根据模型试验活动导叶的开度值,选取13mm、19mm和25mm三个导叶开度进行非定常数值计算,分析随着导叶开度的改变流道内部流体流态和旋涡结构的变化规律,随后结合机体内部流态,通过FFT方法分析不同开度下的压力脉动成分及特性。(2)采用动网格方法,对活动导叶从9mm开度运动到26mm开度,进行了非定常数值模拟,得到导叶运动过程的流场,通过与导叶固定开度三个工况的对比,分析由导叶运动产生的内部压力,流线和旋涡结构的差异,随后结合流场的分析,通过FFT和STFT方法研究导叶运动对压力脉动特性的影响。(3)对导叶不同运动规律的流场进行数值模拟,在三种不同的角速度下,分析活动导叶运动速度的变化对内部流场和压力脉动特性的影响;分段运动和匀加速运动与匀速运动,分析导叶不同运动方式内部流场流态和压力脉动的差异;通过对不同位置压力脉动幅值的分析,研究泵工况中压力脉动的传播特性。研究结果表明,导叶在小开度位置内部流动复杂,具有明显的旋涡结构和流动堵塞现象,压力脉动主要频率来自于转轮叶片的通过频率及其谐波频率,及不稳定流动产生的频率。导叶在小开度范围运动时流动更加复杂,也加强了低频(3倍频以下)成分的压力脉动幅值,相对于活动导叶静止状态下的计算,其峰峰值更大。导叶运动速度越快,流动越复杂,低频脉动幅值越高成分越少;分段运动相比于线性运动和匀加速运动各主频压力脉动幅值较低,流动更加稳定;泵工况中无叶区压力脉动受到转轮转动的影响主要向下游传播。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK730
【图文】：

水力发电,全球,海洋温差能,潮汐能

21.3%的发电量来源于可再生能源（包括太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等），这其中绝大部分发电来源于水力发电。面临全球气候变暖，各国加大了对水力发电投入的力度，目前有 165 个国家已明确将继续发展水电[3]。如图 1-1 所示为 1973 年和 2011 年全球各个地区水力发电量，全球水力发电量四十年内增长了 3 倍。

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水泵水轮机全流道计算域模型

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1）蜗壳区域网格蜗壳部分采用全结构化网格，在水泵水轮机泵工况中，蜗壳为出流，其几何尺寸大，主要是对来自双列叶栅最的流体进行整流，并不是流主要的位置，最终确定蜗壳网格数量为 40 万，网格图 2-2 所示：

【引证文献】