冲击式水轮机全流域数值分析及流动特性研究
发布时间：2021-11-26 15:40
在中国社会日新月异的高速发展以及各行各业生产水平的不断提高,电能对于每个人、用电企业乃至国家来说都是其不可或缺并举足轻重的重要能源。近年来,国家对电能的生产开发已经进入白热化阶段,其中水力发电作为电能生产的一项重要来源,其发展势头及技术已逐步成熟。在我国,水力发电逐步从低水头到高水头发展,从低流量向高流量发展。其中水轮机承担了主要能量转化的作用,将水流的动能转化为转轮的机械能。在诸多不同条件的水力资源中,每种水轮机分别应对不同的水头、工况。而在各种不同的水轮机类型中,冲击式水轮机适宜在高水头的工况中运作,并且安装较为简单,维修价格低廉,在低、高流量中都能有很好的表现。我国对于冲击式水轮机的研究水平与国外相比,还处于经验积累阶段,加之冲击式水轮机其内部流动属于非定常的三维两相流动,其复杂的流动特性也对研究造成了很多困难。冲击式水轮机的配水环管内有经典的圆管弯管流动,还有分叉管流动,两种流动所伴随的二次流现象存在于配水环管及喷嘴内部并持续干扰主流的前进,从而对下游自由射流的压力、速度造成各种影响,是冲击式水轮机给水机构部分的主要能量损失点。所以研究冲击式水轮机配水环管、喷嘴以及射流的流动特...
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
014-2018年全球水电累计装机容量（来源：北极星电力网）
?度快，可在数分钟内就完成低负荷发电，具有易调节、易控能的特点。另外，水力发电在产能的同时，还能在汛期排洪泄水，辅助农田灌溉，尤其可以将水产养殖业和旅游业开展起来。如图1-1所示，截止2018年，全球水力发电机组装机容量已达到1292GW，世界水电项目的总体发电量在该年达到4200TWh，创造了历史新纪录，这是在可再生能源领域中水力发电的最大贡献。在2019年上半年，全国范围内的水力发电量已达5138亿千瓦时，较2018年同比增长11.8%。如图1-2所示，全国水电装机总量也已达到了3.54亿千瓦，保持稳步上升的态势[2]。图1-22013-2019年上半年全国水电累计装机容量（来源：北极星电力网）我国西部是社会经济水平发展较为缓慢的的地区，但蕴藏着丰富的水力资源。现如今西部水力发电实际产能只占总体理论上可开发量的20%左右[3,4]，由此可见西部水力发电的产能潜力十分巨大，富有开发价值。在我国的水轮机的发展长河中，贯流式、混流式、轴流式等水轮机都已逐步形成完备的理论支持与制造工艺，而冲击式水轮机相对而言起步较晚。在早期，我国主要以低水头高流量的产能条件为主，建设大型水坝，为发电机组提供适宜的运行条件。但随着技术革新，水力资源的开发速度也越来越快。目前，水力发电正逐步从低水头向高水头转变，特别在我国西部地区具有多处低流量、高水头的水力资源，而冲击式水轮机在高水头工况下具有良好的产能表现，并且对建筑场地要求较小且投资费用较低。因此深入研究冲击式水轮机是非常必要的。近些年来，中小水电站选取的冲击式水轮机机组类型基本为多喷嘴冲击式水轮机[5-8]。1.1.2研究意义冲击式水轮机的产能过程主要是由水流经过给水机构，通过高水头产生的压力能，汇聚至喷嘴，将压力能转化为动能，形成自由射流，以一定速度冲
冲击式水轮机全流域数值分析及流动特性研究8第2章多相流及数值模拟理论2.1多相流的基本理论2.1.1多相流的概念对多相流的理解，首先要从“相”的概念入手。“相”是指物态之间或者物态自身所具有的相关性质和力学参数。物质的态，即是物质的固态、液态、气态等。其中每一种物态都是物质本身的一种相。在流体力学中，要求流体的动力学性质相似即可统称为一相，而一种物态下允许是单相或是多相的。对于多相流而言，英译为MultiphaseFlow，其中“多”代表着二或者大于二的含义，即当相数为两相或大于两相的研究对象，就称之为多相流。流体力学中多相流显著的特点就是大部分多相流都为三维流动，多出现在湍流流动中，层流流动中很少见。每一相都具有独立的流动变量，每一相的物理性质是影响多相流整体流动特性的重要因素。2.1.2两相流的定义与分类两相流作为多相流的一个分支，代表有且只有两种相态的流动系统。按物质态的构成进行分类，可将两相流分为液固两相流、气液两相流、液液两相流（如图2-1左图所示）、气固两相流等（如图2-1右图所示）。其中气液两相流具有连续、离散两种表现形式，而固相一般以小颗粒或小团块存在于两相流中。图2-1液液两相流及气固两相流两相流相较于单相流，其流动形态不仅包括常见的层流及湍流，还可以根据各相在流动系统中的所占的比例以及各相自身的流动速度、分布特性等来细化流动的分类。根据目前研究表明，两相流对比单向流，其主要研究重点集中在整体
【参考文献】：
期刊论文
[1]特大型多喷嘴冲击式水轮机调速系统研究[J]. 潘熙和,聂伟,程玉婷,吴浩洋,张清. 长江科学院院报. 2019(06)
[2]我国水力发电的历史与发展[J]. 任海波,钟杰,彭梁,赖浩. 南方农机. 2019(02)
[3]基于RNG k-ε紊流数学模型的闸门井体型优化设计[J]. 路强. 吉林水利. 2017(03)
[4]新型非接触式径向C4D传感器优化设计[J]. 宋悦,常亚,冀海峰,王保良,黄志尧,李海青. 北京航空航天大学学报. 2017(02)
[5]四喷四折冲击式水轮机调速器的设计及应用[J]. 张国勋,张辉,于永哲. 水电站机电技术. 2016(01)
[6]冲击式水轮机数值流动解析研究[J]. 沈娜,韩凤琴. 水力发电. 2015(12)
[7]基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算[J]. 侯硕,曹义华. 航空动力学报. 2015(06)
[8]冲击式水轮机喷射机构的磨损特性数值分析[J]. 曾崇济,肖业祥,张瑾,安守皇,王正伟. 排灌机械工程学报. 2015(05)
[9]冲击式水轮机最大水锤压力控制工况研究[J]. 游秋森,赖旭,李婷婷,钟全胜,梁斌. 水力发电学报. 2013(06)
[10]水电站冲击式水轮机调速器技术发展历程及研究[J]. 王丽娟,潘熙和,张应文,朱建勇,黄业华. 长江科学院院报. 2013(05)
博士论文
[1]水轮机转轮流场计算及性能预测[D]. 周凌九.中国农业大学 2000
硕士论文
[1]大型水斗式水轮机配水环管与喷嘴数值模拟研究[D]. 陈创新.河海大学 2006
本文编号：3520450
【文章来源】：兰州理工大学甘肃省
【文章页数】：75 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
014-2018年全球水电累计装机容量（来源：北极星电力网）
?度快，可在数分钟内就完成低负荷发电，具有易调节、易控能的特点。另外，水力发电在产能的同时，还能在汛期排洪泄水，辅助农田灌溉，尤其可以将水产养殖业和旅游业开展起来。如图1-1所示，截止2018年，全球水力发电机组装机容量已达到1292GW，世界水电项目的总体发电量在该年达到4200TWh，创造了历史新纪录，这是在可再生能源领域中水力发电的最大贡献。在2019年上半年，全国范围内的水力发电量已达5138亿千瓦时，较2018年同比增长11.8%。如图1-2所示，全国水电装机总量也已达到了3.54亿千瓦，保持稳步上升的态势[2]。图1-22013-2019年上半年全国水电累计装机容量（来源：北极星电力网）我国西部是社会经济水平发展较为缓慢的的地区，但蕴藏着丰富的水力资源。现如今西部水力发电实际产能只占总体理论上可开发量的20%左右[3,4]，由此可见西部水力发电的产能潜力十分巨大，富有开发价值。在我国的水轮机的发展长河中，贯流式、混流式、轴流式等水轮机都已逐步形成完备的理论支持与制造工艺，而冲击式水轮机相对而言起步较晚。在早期，我国主要以低水头高流量的产能条件为主，建设大型水坝，为发电机组提供适宜的运行条件。但随着技术革新，水力资源的开发速度也越来越快。目前，水力发电正逐步从低水头向高水头转变，特别在我国西部地区具有多处低流量、高水头的水力资源，而冲击式水轮机在高水头工况下具有良好的产能表现，并且对建筑场地要求较小且投资费用较低。因此深入研究冲击式水轮机是非常必要的。近些年来，中小水电站选取的冲击式水轮机机组类型基本为多喷嘴冲击式水轮机[5-8]。1.1.2研究意义冲击式水轮机的产能过程主要是由水流经过给水机构，通过高水头产生的压力能，汇聚至喷嘴，将压力能转化为动能，形成自由射流，以一定速度冲
冲击式水轮机全流域数值分析及流动特性研究8第2章多相流及数值模拟理论2.1多相流的基本理论2.1.1多相流的概念对多相流的理解，首先要从“相”的概念入手。“相”是指物态之间或者物态自身所具有的相关性质和力学参数。物质的态，即是物质的固态、液态、气态等。其中每一种物态都是物质本身的一种相。在流体力学中，要求流体的动力学性质相似即可统称为一相，而一种物态下允许是单相或是多相的。对于多相流而言，英译为MultiphaseFlow，其中“多”代表着二或者大于二的含义，即当相数为两相或大于两相的研究对象，就称之为多相流。流体力学中多相流显著的特点就是大部分多相流都为三维流动，多出现在湍流流动中，层流流动中很少见。每一相都具有独立的流动变量，每一相的物理性质是影响多相流整体流动特性的重要因素。2.1.2两相流的定义与分类两相流作为多相流的一个分支，代表有且只有两种相态的流动系统。按物质态的构成进行分类，可将两相流分为液固两相流、气液两相流、液液两相流（如图2-1左图所示）、气固两相流等（如图2-1右图所示）。其中气液两相流具有连续、离散两种表现形式，而固相一般以小颗粒或小团块存在于两相流中。图2-1液液两相流及气固两相流两相流相较于单相流，其流动形态不仅包括常见的层流及湍流，还可以根据各相在流动系统中的所占的比例以及各相自身的流动速度、分布特性等来细化流动的分类。根据目前研究表明，两相流对比单向流，其主要研究重点集中在整体
【参考文献】：
期刊论文
[1]特大型多喷嘴冲击式水轮机调速系统研究[J]. 潘熙和,聂伟,程玉婷,吴浩洋,张清. 长江科学院院报. 2019(06)
[2]我国水力发电的历史与发展[J]. 任海波,钟杰,彭梁,赖浩. 南方农机. 2019(02)
[3]基于RNG k-ε紊流数学模型的闸门井体型优化设计[J]. 路强. 吉林水利. 2017(03)
[4]新型非接触式径向C4D传感器优化设计[J]. 宋悦,常亚,冀海峰,王保良,黄志尧,李海青. 北京航空航天大学学报. 2017(02)
[5]四喷四折冲击式水轮机调速器的设计及应用[J]. 张国勋,张辉,于永哲. 水电站机电技术. 2016(01)
[6]冲击式水轮机数值流动解析研究[J]. 沈娜,韩凤琴. 水力发电. 2015(12)
[7]基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算[J]. 侯硕,曹义华. 航空动力学报. 2015(06)
[8]冲击式水轮机喷射机构的磨损特性数值分析[J]. 曾崇济,肖业祥,张瑾,安守皇,王正伟. 排灌机械工程学报. 2015(05)
[9]冲击式水轮机最大水锤压力控制工况研究[J]. 游秋森,赖旭,李婷婷,钟全胜,梁斌. 水力发电学报. 2013(06)
[10]水电站冲击式水轮机调速器技术发展历程及研究[J]. 王丽娟,潘熙和,张应文,朱建勇,黄业华. 长江科学院院报. 2013(05)
博士论文
[1]水轮机转轮流场计算及性能预测[D]. 周凌九.中国农业大学 2000
硕士论文
[1]大型水斗式水轮机配水环管与喷嘴数值模拟研究[D]. 陈创新.河海大学 2006
本文编号：3520450
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