混流式水轮机尾水管涡带和压力脉动数值计算分析

发布时间：2017-06-23 04:00

  本文关键词：混流式水轮机尾水管涡带和压力脉动数值计算分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：水轮机组运行的不稳定性是一个严重又普遍的问题。引起水轮机振动的主要原因之一是尾水管涡带引起的压力脉动,因此,探索尾水管涡带与压力脉动的关系以及成因是当今水轮机组振动研究的重点课题。目前,尾水管涡带和压力脉动的研究手段主要有数值模拟和试验研究,考虑到经济成本和一些试验条件的限制,利用数值模拟方法研究尾水管压力脉动问题成为主流研究方法。本研究采用UG软件对某混流式水轮机进行三维几何建模,利用ICEM CFD进行网格划分,在CFX软件中选择SST湍流模型对水轮机全流道内部流动进行定常和非定常流动计算,研究其尾水管涡带流动特征、内部流场流动的稳定性。主要研究内容和成果如下:(1)在最优单位转速值下,选取了四个典型的计算工况:小流量工况2个、最优工况以及大流量工况。定常计算结果表明:在小流量工况下运行时,尾水管有螺旋状的涡带产生,开度越小,涡带旋转半径越大,即涡带偏心更严重;在最优流量工况下,涡带表现为细长的圆锥体;在大流量工况下,涡带为柱状涡。非定常计算结果表明:在小流量工况下,相对称两个监测点存在相位差。涡带的旋转频率为转频的0.333倍频,压力脉动主要分布在尾水管的进口锥管段和弯肘管段,进口段压力脉动幅值比肘管段大;最优工况下,对称的两个监测点不存在相位差,涡带旋转频率为转频的1倍频;压力脉动主要集中在靠近肘管段处的直管段;在大流量工况下,涡带旋转频率为转频的0.22倍频,压力脉动由在锥管段集中往肘管段移动,肘管段压力脉动较大。说明小流量工况运行不稳定,发生振动严重。(2)在高单位转速值下,选取了一个小流量工况作比较。定常计算结果表明:高单位转速的情况下,涡带在尾水管直锥段偏心很小,螺旋状涡带主要集中在肘管段,涡核的半径比低单位转速涡核的半径更大一些。非定常计算结果表明:在高单位转速时,涡带的旋转频率为转频的0.44倍频,和低单位转速相比,旋转频率有所增加;压力脉动主要集中在肘管段,主要为低频的压力脉动。本课题的研究,对水轮机的优化设计具有指导作用。
【关键词】：混流式水轮机 非定常流动 尾水管涡带 压力脉动
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK733.1
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-14
• 1.1 课题来源9
• 1.2 课题研究的背景及意义9-10
• 1.3 国内外研究的发展现状10-13
• 1.3.1 水轮机尾水管内部流动的特征10-11
• 1.3.2 尾水管涡带和压力脉动的研究现状11-13
• 1.4 本课题的主要研究内容13
• 1.5 本章小结13-14
• 2 混流式水轮机三维湍流流场数值模拟方法14-20
• 2.1 引言14
• 2.2 控制方程14-16
• 2.2.1 湍流的基本方程14-15
• 2.2.2 湍流数值模拟方法15-16
• 2.3 ANSYA CFX中的湍流模型16-19
• 2.3.1 k-ε湍流模型16
• 2.3.2 RSM模型16-17
• 2.3.3 BSL k -w 模型17-18
• 2.3.4 SST模型18-19
• 2.4 本章小结19-20
• 3 水轮机全流道三维几何建模及网格划分20-26
• 3.1 水轮机基本参数20-21
• 3.2 水轮机全流道三维建模21-23
• 3.2.1 蜗壳的建模21-22
• 3.2.2 导水部分的建模22
• 3.2.3 转轮部分的建模22
• 3.2.4 尾水管的建模22-23
• 3.3 网格划分23-25
• 3.3.1 网格类型和划分原则23-24
• 3.3.2 水轮机全流道网格划分24-25
• 3.4 本章小结25-26
• 4 水轮机尾水管涡带和压力脉动数值模拟及结果分析26-62
• 4.1 CFD软件的选择26
• 4.2 边界条件的确定26-27
• 4.2.1 进口条件26
• 4.2.2 出口条件26
• 4.2.3 壁面边界条件26-27
• 4.2.4 交界面27
• 4.3 求解条件设置27-28
• 4.4 尾水管涡带数值模拟结果及分析28-45
• 4.4.1 定常计算结果分析28-34
• 4.4.2 非定常计算结果分析34-45
• 4.5 相同单位转速下尾水管压力脉动分析45-55
• 4.5.1 FFT变化45
• 4.5.2 工况A（n11=60r/min, Q11=0.123m~3/s）计算结果分析45-48
• 4.5.3 工况B（n11=60r/min, Q11=0.135m~3/s）计算结果分析48-50
• 4.5.4 工况C（n11=60r/min, Q11=0.19m~3/s）计算结果分析50-53
• 4.5.5 工况D（n11=60r/min, Q11=0.27m~3/s）计算结果分析53-55
• 4.6 不同单位转速下非定常结果分析55-60
• 4.6.1 涡带对比分析55-58
• 4.6.2 压力脉动对比分析58-60
• 4.7 本章小结60-62
• 5 结论与展望62-64
• 5.1 结论62
• 5.2 展望62-64
• 参考文献64-68
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况68-69
• 致谢69-70

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本文编号：473819