高水头混流式水轮机飞逸工况流动特性数值研究
发布时间：2021-03-29 04:20
在飞逸发生时,水轮机的转速达到此导叶开度下的最大值,通常大于150%的同步转速。机组将承受非常大的附加质量力,有可能造成机组结构破坏。与此同时,转轮中的流态变差,产生非常大振幅的不稳定压力脉动,会引起转轮的疲劳破坏,影响转轮的寿命。本文以典型的高水头混流式模型水轮机Francis99为研究对象,针对数值模拟方法和飞逸工况流动特性两方面进行了研究。主要结论如下:首先对Francis99三个特征工况进行了数值计算,将数值结果与实验值进行了对比。计算采用了两种常用的湍流模型（标准k-ε模型、k-ω SST模型）以及一种更高级的湍流模型（SAS-SST模型）。另外从节省计算资源的角度进行探索,应用TBR （Transient Blade Row）模型中的PT方法和FT方法对活动导叶和转轮分别进行了单流道和双流道非稳态计算。从对水力效率、各监测点压力均值、尾水管截面速度以及压力脉动频域特性等结果的对比分析中可以看出,应用不同湍流模型进行计算,可从不同角度影响计算结果,但都得出相近于实验数据的结果。采用不同湍流模型对计算结果有不同的影响,但都可以得到与实验数据较为吻合的结果。采用FT方法可以得到与...
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Francis99模型组合示意图
（a）轮毂面 （c）短叶片图 2-3 转轮网格示意图Fig. 2-3 Schematic diagram of runner grid对活动导叶则采用上述方案一进行计算域离散化。如图 2-4 所示为活动导叶立面图及侧面图，由图可知，Francis99 模型活动导叶采用大偏心轴，且上下带有肥轴耳。这样的结构对块结构画网格划分带来问题，如单个活动导叶的周期面处理。如为常规圆柱叶片，网格划分时的辅助周期面为一立面，其与上下盖板均垂直。此处，由于肥轴耳结构的影响，活动导叶过流通道在轴向不均匀分布，而是由上下盖板沿轴线向中截面增加的，如图 2-4 所示。这样，如果辅助周期面仍为立面，则网格分布在不同高度上会产生较大差异，如等节点条件下，靠近上下盖板处的网格分布将会非常密集，而中截面处的却又过于稀疏。为克服网格分布不均对计算结果的影响，在单流道的导叶划分过程中作了两个周向对称的辅助曲面，这个曲面与过流通道在轴向上的变化趋势基本一致，呈凹陷状。如图 2-5 所示为采用曲面形式的周期面的导叶网格及在不同叶高处的网格平面图，图中点 A 和点 B 不直接相接而呈曲面形式，因而在导叶径向网格数目一定的条件下，叶片两侧的网格分布更加合理。
图 2-3 转轮网格示意图Fig. 2-3 Schematic diagram of runner grid对活动导叶则采用上述方案一进行计算域离散化。如图 2-4 所示为活动导叶立面图，由图可知，Francis99 模型活动导叶采用大偏心轴，且上下带有肥轴耳。这样的结结构画网格划分带来问题，如单个活动导叶的周期面处理。如为常规圆柱叶片，网的辅助周期面为一立面，其与上下盖板均垂直。此处，由于肥轴耳结构的影响，活流通道在轴向不均匀分布，而是由上下盖板沿轴线向中截面增加的，如图 2-4 所示如果辅助周期面仍为立面，则网格分布在不同高度上会产生较大差异，如等节点条件上下盖板处的网格分布将会非常密集，而中截面处的却又过于稀疏。为克服网格分计算结果的影响，在单流道的导叶划分过程中作了两个周向对称的辅助曲面，这个流通道在轴向上的变化趋势基本一致，呈凹陷状。如图 2-5 所示为采用曲面形式的导叶网格及在不同叶高处的网格平面图，图中点 A 和点 B 不直接相接而呈曲面形在导叶径向网格数目一定的条件下，叶片两侧的网格分布更加合理。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于桨叶调节的轴流转桨式水轮机模型飞逸数值模拟[J]. 周大庆,郭优,姜德政. 水利水电科技进展. 2016(04)
[2]灯泡式水轮机飞逸过渡过程3维CFD模拟[J]. 夏林生,程永光,张晓曦,张春泽. 四川大学学报(工程科学版). 2014(05)
[3]轴流式水轮机模型飞逸过程三维湍流数值模拟[J]. 周大庆,吴玉林,刘树红. 水利学报. 2010(02)
[4]混流式水轮机飞逸暂态过程的三维非定常湍流计算Ⅰ[J]. 李金伟,刘树红,周大庆,吴玉林. 水力发电学报. 2008(06)
[5]湍流理论的发展及其在水轮机中的应用[J]. 李连超,崔学明,常近时. 水利水电技术. 2002(10)
[6]贯流式水轮机活动导叶内部三维固液两相紊流研究[J]. 刘文俊,吴玉林,曹树良. 水利水电技术. 1999(05)
[7]水轮机转轮内部的三维固液两相紊流计算[J]. 吴玉林,何燕雨,曹树良. 水利学报. 1998(03)
[8]水轮机转轮内全三维紊流计算及效率预估[J]. 吴玉林,韩海,曹树良. 工程热物理学报. 1996(03)
[9]流体机械内部流动数值计算方法的新进展（一）[J]. 阎超. 流体机械. 1994(08)
[10]水轮机转轮内部层流和湍流的三维计算[J]. 林斌良,许协庆. 水利学报. 1990(03)
硕士论文
[1]水轮机组飞逸保护及退出飞逸过渡过程的研究[D]. 张健.中国农业大学 2001
本文编号：3106886
【文章来源】：西安理工大学陕西省
【文章页数】：69 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Francis99模型组合示意图
（a）轮毂面 （c）短叶片图 2-3 转轮网格示意图Fig. 2-3 Schematic diagram of runner grid对活动导叶则采用上述方案一进行计算域离散化。如图 2-4 所示为活动导叶立面图及侧面图，由图可知，Francis99 模型活动导叶采用大偏心轴，且上下带有肥轴耳。这样的结构对块结构画网格划分带来问题，如单个活动导叶的周期面处理。如为常规圆柱叶片，网格划分时的辅助周期面为一立面，其与上下盖板均垂直。此处，由于肥轴耳结构的影响，活动导叶过流通道在轴向不均匀分布，而是由上下盖板沿轴线向中截面增加的，如图 2-4 所示。这样，如果辅助周期面仍为立面，则网格分布在不同高度上会产生较大差异，如等节点条件下，靠近上下盖板处的网格分布将会非常密集，而中截面处的却又过于稀疏。为克服网格分布不均对计算结果的影响，在单流道的导叶划分过程中作了两个周向对称的辅助曲面，这个曲面与过流通道在轴向上的变化趋势基本一致，呈凹陷状。如图 2-5 所示为采用曲面形式的周期面的导叶网格及在不同叶高处的网格平面图，图中点 A 和点 B 不直接相接而呈曲面形式，因而在导叶径向网格数目一定的条件下，叶片两侧的网格分布更加合理。
图 2-3 转轮网格示意图Fig. 2-3 Schematic diagram of runner grid对活动导叶则采用上述方案一进行计算域离散化。如图 2-4 所示为活动导叶立面图，由图可知，Francis99 模型活动导叶采用大偏心轴，且上下带有肥轴耳。这样的结结构画网格划分带来问题，如单个活动导叶的周期面处理。如为常规圆柱叶片，网的辅助周期面为一立面，其与上下盖板均垂直。此处，由于肥轴耳结构的影响，活流通道在轴向不均匀分布，而是由上下盖板沿轴线向中截面增加的，如图 2-4 所示如果辅助周期面仍为立面，则网格分布在不同高度上会产生较大差异，如等节点条件上下盖板处的网格分布将会非常密集，而中截面处的却又过于稀疏。为克服网格分计算结果的影响，在单流道的导叶划分过程中作了两个周向对称的辅助曲面，这个流通道在轴向上的变化趋势基本一致，呈凹陷状。如图 2-5 所示为采用曲面形式的导叶网格及在不同叶高处的网格平面图，图中点 A 和点 B 不直接相接而呈曲面形在导叶径向网格数目一定的条件下，叶片两侧的网格分布更加合理。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于桨叶调节的轴流转桨式水轮机模型飞逸数值模拟[J]. 周大庆,郭优,姜德政. 水利水电科技进展. 2016(04)
[2]灯泡式水轮机飞逸过渡过程3维CFD模拟[J]. 夏林生,程永光,张晓曦,张春泽. 四川大学学报(工程科学版). 2014(05)
[3]轴流式水轮机模型飞逸过程三维湍流数值模拟[J]. 周大庆,吴玉林,刘树红. 水利学报. 2010(02)
[4]混流式水轮机飞逸暂态过程的三维非定常湍流计算Ⅰ[J]. 李金伟,刘树红,周大庆,吴玉林. 水力发电学报. 2008(06)
[5]湍流理论的发展及其在水轮机中的应用[J]. 李连超,崔学明,常近时. 水利水电技术. 2002(10)
[6]贯流式水轮机活动导叶内部三维固液两相紊流研究[J]. 刘文俊,吴玉林,曹树良. 水利水电技术. 1999(05)
[7]水轮机转轮内部的三维固液两相紊流计算[J]. 吴玉林,何燕雨,曹树良. 水利学报. 1998(03)
[8]水轮机转轮内全三维紊流计算及效率预估[J]. 吴玉林,韩海,曹树良. 工程热物理学报. 1996(03)
[9]流体机械内部流动数值计算方法的新进展（一）[J]. 阎超. 流体机械. 1994(08)
[10]水轮机转轮内部层流和湍流的三维计算[J]. 林斌良,许协庆. 水利学报. 1990(03)
硕士论文
[1]水轮机组飞逸保护及退出飞逸过渡过程的研究[D]. 张健.中国农业大学 2001
本文编号：3106886
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