水泵水轮机泵工况驼峰特性流动机理数值研究

发布时间：2017-05-19 16:22

  本文关键词：水泵水轮机泵工况驼峰特性流动机理数值研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：目前,为缓解电力系统的峰谷差,我国大力发展抽水蓄能电站,机组运行稳定性日益受到重视,而水泵水轮机泵工况的扬程特性曲线一般会出现驼峰区,对机组运行稳定性造成不利影响,因此有必要对泵工况的驼峰特性进行深入研究。结合模型试验,本文采用数值模拟方法对水泵水轮机产生驼峰区的水动力学机理进行了深入探索。首先采用SST湍流模型,对泵工况在三个导叶开度下进行了定常数值模拟,预测其扬程、效率和功率的水力特性曲线,并与模型试验进行了对比分析,进而对各部件的能量损失以及内部流动特性进行探讨。发现在三个导叶开度下,各个部件的能量损失随流量的变化规律类似,内部流动特性随流量的变化规律也类似,单位流体输入的总能随流量的减小不断增大。同时在最优开度下对泵工况进行了空化定常计算,对水力损失的产生做了简单的空化原因分析,发现对研究的模型水泵水轮机,在最优开度线的工况点不会出现明显的空化现象,其引起的流动损失也很小,此开度下驼峰区产生水力损失的主因不是空化。其后,对最优开度下驼峰区的五个不同流量工况进行了非定常数值模拟,并与定常及模型试验进行对比分析,发现其外特性参数结果比定常计算更接近模型试验值,同时结合能量损失与整体流道的压力脉动特性,对内部流动特性进行详细分析,发现较复杂的内部流动往往伴随着较大的能量损失、较高的脉动幅值以及较丰富的低频区段。随着流量的减小,尾水管、转轮以及活动导叶流域的水力能量损失显著增加,转轮入口出现明显的回流并一直延伸到上游的尾水管内,严重的螺旋回流甚至会延伸到其弯肘管部位,转轮叶道间出现涡流,活动导叶域也会出现较多的漩涡流。从驼峰区最高点到最低点,整体流道内的流动逐渐恶化,转轮进口及出口处的回流强度及回流区域也不断增加,其进口处的回流甚至延伸到了尾水管内,双列叶栅内涡流的强度及涡流产生的区域也不断增加,这些都造成尾水管、转轮以及活动导叶的能量损失不断增大,在驼峰区,增加的输入总能并不能弥补大量增加的能量损失,从而扬程下降,形成驼峰区。此外,随着流量的减小,流道内各记录点的峰峰值不断增加,低频也越来越明显。这些都与驼峰区的产生息息相关。低频的产生与涡流的消失和重新生成、增强和减弱以及压力脉动在整个流道的传播有关。
【关键词】：模型水泵水轮机 驼峰特性 水动力特性 压力脉动 螺旋回流
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK730.1
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 主要符号对照表8-10
• 第1章 绪论10-16
• 1.1 选题背景及意义10-12
• 1.1.1 我国建设抽水蓄能电站的必要性10
• 1.1.2 我国抽水蓄能电站的建设现状及前景展望10-11
• 1.1.3 可逆式水泵水轮机泵工况驼峰区流动特性的研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-14
• 1.2.1 国外水泵水轮机泵工况驼峰特性的研究现状12
• 1.2.2 国内水泵水轮机泵工况驼峰特性的研究现状12-14
• 1.3 课题主要研究内容14-16
• 第2章 模型水泵水轮机及试验结果分析16-27
• 2.1 计算模型建立16-22
• 2.1.1 模型水泵水轮机几何模型建立16-17
• 2.1.2 网格无关性检查17-22
• 2.2 模型试验结果分析22-26
• 2.2.1 泵工况外特性试验结果分析22-25
• 2.2.2 水泵水轮机泵工况压力脉动试验结果分析25
• 2.2.3 水泵水轮机泵工况空化试验结果分析25-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第3章 泵工况能量损失的定常计算分析27-54
• 3.1 数值计算设置27
• 3.2 水力性能参数分析27-34
• 3.2.1 数值计算与模型试验结果比较27-31
• 3.2.2 不同导叶开度的水力损失分析31-34
• 3.3 不同导叶开度的三维流动特性分析34-49
• 3.3.1 尾水管的内部流动特性34-38
• 3.3.2 转轮内部流动特性38-43
• 3.3.3 双列叶栅内部流动特性43-47
• 3.3.4 蜗壳内部流动特性47-49
• 3.4 水力损失的空化原因分析49-52
• 3.5 本章小结52-54
• 第4章 驼峰区水动力特性非定常结果分析54-79
• 4.1 非定常计算设置54-55
• 4.1.1 非定常计算相关设置54
• 4.1.2 压力测点布置54-55
• 4.2 非定常计算的水力性能结果分析55-57
• 4.3 整体流道内的水动力特性分析57-76
• 4.3.1 非定常计算与模型试验比较分析57-58
• 4.3.2 最优工况点A27Q408压力脉动及内部流动特性分析58-62
• 4.3.3 驼峰最高点A27Q348压力脉动及内部流动特性分析62-66
• 4.3.4 驼峰最低点A27Q282压力脉动及内部流动特性分析66-70
• 4.3.5 小流量点A27Q190压力脉动及内部流动特性分析70-76
• 4.4 产生驼峰特区的水动力学特性分析76-77
• 4.5 本章小结77-79
• 第5章 结论79-81
• 5.1 本文主要结论79-80
• 5.2 工作展望80-81
• 参考文献81-84
• 致谢84-86
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果86

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