混流式水轮机上冠空腔结构内部流场及单向流固耦合分析
发布时间：2021-11-13 03:28
为研究上冠空腔结构对混流式水轮机水力性能与结构特性的影响,建立了不含上冠空腔结构（No Upper Crown Cavity Structure,NUCCS）和含上冠空腔结构（Upper Crown Cavity Structure,UCCS）的两种混流式水轮机全流道几何模型,基于SST湍流模型、顺序耦合法、预应力模态分析,对NUCCS与UCCS的两种混流式水轮机展开数值模拟和单向瞬态流固耦合计算,发现泄水锥处上冠空腔结构可减少转轮内部二次流动损失。在0.8Qd、Qd和1.2Qd的3种流量工况点,分别对混流式水轮机展开瞬态流固耦合计算,对比研究转轮结构的应力应变特性。研究发现含UCCS时,转轮等效应力和变形量均有减小。在小流量0.8Qd工况点,转轮结构等效应力及应变较小,其最大变形点位于下环附近。在设计流量Qd和大流量1.2Qd工况点,转轮等效应力及应变较大,其最大变形点位于上冠附近。在NUCCS与UCCS的转轮进行预应力模态分析时,发现上冠空腔结构对转轮的模态影响很小。本文研究内容可为提升混流式水轮机设计水平提供一定参考依据。
【文章来源】：水利学报. 2020,51(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
全流道计算模型
图1 全流道计算模型对蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管、密封间隙、上冠空腔和减压孔均采用了六面体结构化网格进行划分，各部分交界面网格匹配度达到1∶1.5以内，因上冠间隙域网格尺寸较小，上冠间隙入口处附近的主流域为活动导叶域，而活动导叶域网格尺寸较大，为了减小因为网格突变而引起的计算误差[7]，活动导叶与间隙入口的交界面附近网格采用逐渐缓慢过渡，网格尺寸渐渐由大到小的划分形式，图3为间隙流道附近活动导叶的网格。
采用理查德森外推法进行网格无关性验证，设置3组不同网格数（348×104,460×104,600×104）的网格方案，关注水轮机的效率与水头随网格数的变化情况，具体过程参照文献[18]。当计算得到的效率与水头的外推相对误差小于4%，最终网格方案包括600×104网格数，各计算区域的网格数为：蜗壳域22×104、固定导叶域79×104、活动导叶域121×104、转轮域204×104、尾水管域80×104、上冠间隙和减压孔及上冠空腔域共94×104。在叶片和上冠间隙流道处，控制近壁面y+的分布在300以内，其中转轮叶片的y+分布在30以内，如图4所示。图4 叶片和上冠间隙流道处壁面上y+分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]转轮下环间隙对混流式水轮机内部流动特性的影响[J]. 吴子娟,梁武科,董玮,高晨辉,陈帝伊. 农业工程学报. 2020(02)
[2]混流式水轮机轴向水推力研究综述和讨论[J]. 周星,伍鹤皋,苏凯. 水利学报. 2019(10)
[3]水轮机活动导叶端面间隙磨蚀特性数值模拟[J]. 韩伟,陈雨,刘宜,李光贤,王洁,王腾达. 排灌机械工程学报. 2018(05)
[4]蜗壳轴向出流式低比转数水轮机设计与数值模拟[J]. 毛秀丽,李春华,屈波,郑源,栗文玲,章勋. 农业机械学报. 2018(05)
[5]基于流固耦合的低水头混流式水轮机转轮叶片静力分析[J]. 崔军玲,余波,廖翔,刘育,李文浩. 水力发电. 2017(03)
[6]基于瞬态流固耦合的混流式转轮叶片裂纹成因分析[J]. 吴广宽,罗兴锜,冯建军,李文锋. 农业工程学报. 2015(08)
[7]间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响[J]. 冯建军,罗兴锜,吴广宽,朱国俊. 农业工程学报. 2015(05)
[8]混流式水轮机转轮流场单向、双向流固耦合数值的分析比较研究[J]. 金连根,毛建生,方兵. 机电工程. 2014(12)
[9]含泄水孔混流式水轮机间隙流动数值模拟[J]. 周大庆,陈洋. 农业机械学报. 2015(04)
[10]大型水轮机不稳定流体与结构耦合特性研究Ⅱ:结构动应力与疲劳可靠性分析[J]. 王福军,赵薇,杨敏,高江永. 水利学报. 2012(01)
硕士论文
[1]混流式水轮机转轮间隙流动特性与工况的关系[D]. 唐聪.华中科技大学 2017
[2]混流式水轮机顶盖取水及转轮上冠泵板工作特性研究[D]. 杨庭豪.华中科技大学 2016
本文编号：3492228
【文章来源】：水利学报. 2020,51(11)北大核心EICSCD
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
全流道计算模型
图1 全流道计算模型对蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管、密封间隙、上冠空腔和减压孔均采用了六面体结构化网格进行划分，各部分交界面网格匹配度达到1∶1.5以内，因上冠间隙域网格尺寸较小，上冠间隙入口处附近的主流域为活动导叶域，而活动导叶域网格尺寸较大，为了减小因为网格突变而引起的计算误差[7]，活动导叶与间隙入口的交界面附近网格采用逐渐缓慢过渡，网格尺寸渐渐由大到小的划分形式，图3为间隙流道附近活动导叶的网格。
采用理查德森外推法进行网格无关性验证，设置3组不同网格数（348×104,460×104,600×104）的网格方案，关注水轮机的效率与水头随网格数的变化情况，具体过程参照文献[18]。当计算得到的效率与水头的外推相对误差小于4%，最终网格方案包括600×104网格数，各计算区域的网格数为：蜗壳域22×104、固定导叶域79×104、活动导叶域121×104、转轮域204×104、尾水管域80×104、上冠间隙和减压孔及上冠空腔域共94×104。在叶片和上冠间隙流道处，控制近壁面y+的分布在300以内，其中转轮叶片的y+分布在30以内，如图4所示。图4 叶片和上冠间隙流道处壁面上y+分布
【参考文献】：
期刊论文
[1]转轮下环间隙对混流式水轮机内部流动特性的影响[J]. 吴子娟,梁武科,董玮,高晨辉,陈帝伊. 农业工程学报. 2020(02)
[2]混流式水轮机轴向水推力研究综述和讨论[J]. 周星,伍鹤皋,苏凯. 水利学报. 2019(10)
[3]水轮机活动导叶端面间隙磨蚀特性数值模拟[J]. 韩伟,陈雨,刘宜,李光贤,王洁,王腾达. 排灌机械工程学报. 2018(05)
[4]蜗壳轴向出流式低比转数水轮机设计与数值模拟[J]. 毛秀丽,李春华,屈波,郑源,栗文玲,章勋. 农业机械学报. 2018(05)
[5]基于流固耦合的低水头混流式水轮机转轮叶片静力分析[J]. 崔军玲,余波,廖翔,刘育,李文浩. 水力发电. 2017(03)
[6]基于瞬态流固耦合的混流式转轮叶片裂纹成因分析[J]. 吴广宽,罗兴锜,冯建军,李文锋. 农业工程学报. 2015(08)
[7]间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响[J]. 冯建军,罗兴锜,吴广宽,朱国俊. 农业工程学报. 2015(05)
[8]混流式水轮机转轮流场单向、双向流固耦合数值的分析比较研究[J]. 金连根,毛建生,方兵. 机电工程. 2014(12)
[9]含泄水孔混流式水轮机间隙流动数值模拟[J]. 周大庆,陈洋. 农业机械学报. 2015(04)
[10]大型水轮机不稳定流体与结构耦合特性研究Ⅱ:结构动应力与疲劳可靠性分析[J]. 王福军,赵薇,杨敏,高江永. 水利学报. 2012(01)
硕士论文
[1]混流式水轮机转轮间隙流动特性与工况的关系[D]. 唐聪.华中科技大学 2017
[2]混流式水轮机顶盖取水及转轮上冠泵板工作特性研究[D]. 杨庭豪.华中科技大学 2016
本文编号：3492228
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