混流式水轮机全流道湍流流场的数值模拟研究

发布时间：2017-08-01 13:00

  本文关键词：混流式水轮机全流道湍流流场的数值模拟研究

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【摘要】：水轮机作为水电站的核心部件,对水电站的整体性能起着决定性的作用,水轮机技术的研究一直伴随着水电的开发在不断地发展。但是,国内外的不少水电站也因一些尚未解决的技术问题导致机组出现异常甚至过流部件的损坏,因此,还是存在着困扰水轮机安全高效稳定运行的一些技术难题有待解决。另外,随着机组容量和尺寸的逐步增大,水轮机比转速不断提高,人们对于混流式水轮机的运行稳定性日益重视,这使得进行水轮机内部流场的模拟解析十分必要。总之,开展水轮机过流部件内部的定常及非定常流动分析对于深入了解水轮机振动的内在机理、改善水轮机的综合水力性能、提高水轮发电机组的运行稳定性具有十分重要的意义。本文通过某电站的原型水轮机几何尺寸参数在三维制图软件中进行水轮机全流道的建模。首先,采用RNGK-￡模型在不同工作水头高度工况下对水轮机进行了多部件、动静耦合的定常湍流计算,获得了各工况下各过流部件内及动静部件间的流动细节,分析比较了不同工况下水轮机内部流动的特性,并且预估了水轮机的水力效率和空化性能,对产生空化的原因做了简单的阐述。在定常湍流计算的基础上,把它作为初始条件分别采用RNGκ-ε模型、大涡模拟(LES)模型和滑移网格技术对水轮机全流道进行三维非定常湍流数值模拟计算分析,得到了水轮机在不同工况、不同时刻下内部流动情况,对水轮机的各个部件的压力脉动进行了检测和分析。通过以上的结果分析可知,水轮机内部的流动是非常复杂、不稳定的湍流运动,在水轮机的全流道中存在着撞击脱流、横流和回流等现象；在尾水管中存在偏心涡带。这些都是对水轮机的水力效率、稳定性和安全性会有重大的影响。本文分析的对象是水轮机的全流道,不是对单一的部件进行数值模拟分析的。这样的分析结果会更加的接近真实的流动情况,因而能对水轮机的能量、空化特性做出更为准确的预估。RNG K-ε模型和大涡模拟(LES)模型都能够较好的模拟水轮机内部流动特性,但是在对尾水管内压力脉动的分析中,可知大涡模拟模型的计算结果更加的接近于真实流动情况。
【关键词】：水轮机 定常和非定常湍流 大涡模拟 数值模拟
【学位授予单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV136.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 引言11-13
• 1.2 国内外混流式水轮机的发展状况及研究现状13-16
• 1.3 本文的主要研究内容16-19
• 第二章 混流式水轮机内部流动数值计算方法19-49
• 2.1 计算流体动力学(CFD)概述19-26
• 2.1.1 CFD简介19-21
• 2.1.2 CFD求解过程21-25
• 2.1.3 CFD软件介绍25-26
• 2.2 数值模拟方法26-28
• 2.2.1 水轮机内部流体流动控制方程26-28
• 2.2.1.1 质量守恒方程26
• 2.2.1.2 动量守恒方程(Navier-Stokes方程)26-28
• 2.2.1.3 能量守恒方程28
• 2.3 湍流的数值模拟28-42
• 2.3.1 湍流流动特征28-29
• 2.3.2 湍流的基本方程29-30
• 2.3.3 CFD中的三维湍流模型30-41
• 2.3.3.1 标准κ-ε模型33-34
• 2.3.3.2 RNGκ-ε模型34-35
• 2.3.3.3 Realiza bleκ-ε模型35-36
• 2.3.3.4 大涡模拟(LES)36-41
• 2.3.4 近壁区内的流动模型以及壁面函数法41-42
• 2.4 控制方程的离散和流场数值求解方法42-46
• 2.4.1 离散化方法42-43
• 2.4.2 离散化格式43-46
• 2.4.3 流场的数值求解方法46
• 2.5 边界条件的确定46-48
• 2.5.1 流体进口边界条件47
• 2.5.2 流体出口边界条件47
• 2.5.3 壁面边界条件47-48
• 2.6 初始条件的确定48
• 2.7 本章小结48-49
• 第三章 混流式水轮机几何模型建立及网格划分49-61
• 3.1 混流式水轮机三维实体模型的建立49-53
• 3.1.1 蜗壳和固定导叶的三维实体建模49-50
• 3.1.2 固定导叶和活动导叶的三维实体建模50-51
• 3.1.3 转轮的三维实体建模51-52
• 3.1.4 尾水管的三维实体建模52-53
• 3.1.5 水轮机全流道三维实体建立53
• 3.2 网格技术53-56
• 3.2.1 结构化网格54
• 3.2.2 非结构化网格54-55
• 3.2.3 滑移网格技术55-56
• 3.3 水轮机各个过流部件网格划分56-60
• 3.4 本章小结60-61
• 第四章 混流式水轮机定常湍流数值模拟及性能分析61-89
• 4.1 引言61
• 4.2 水轮机计算域的处理和计算工况点的选取61-62
• 4.3 水轮机性能预估62-64
• 4.3.1 水轮机能量性能预估62-63
• 4.3.2 水轮机空化性能预估63-64
• 4.4 水轮机三维定常湍流计算结果及分析64-87
• 4.5 本章小结87-89
• 第五章 混流式水轮机非定常湍流数值模拟及性能分析89-107
• 5.1 引言89
• 5.2 水轮机计算域的处理和计算工况点的选取89-90
• 5.3 水轮机三维非定常湍流计算结果及分析90-104
• 5.4 本章小结104-107
• 第六章 结论与展望107-109
• 6.1 本文结论107-108
• 6.2 不足与展望108-109
• 致谢109-111
• 参考文献111-117
• 附录 攻读硕士期间发表学术论文117

【参考文献】

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中国硕士学位论文全文数据库 前2条

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本文编号：604325