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水轮机导水机构双列叶栅流动数值模拟及振动特性分析

作　者: 武宇琼
导　师: 张立翔
学　校: 昆明理工大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 水轮机活动导叶流动数值模拟振动模态分析
分类号: TV734.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

水轮机作为水电站的核心部件,对整个电站的工作性能起着决定性影响,其技术研究随着水电工程的开发一直在不断发展.但困扰其安全稳定高效运行的一些技术难题仍然存在。使用简单、操作灵活、结果可靠并且周期短、花费小的CFD技术以其多方面优势为研究者提供了一个新的有效研究手段。通过合理地使用水轮机内部湍流流动的数学模型和计算技术,利用CFD软件对水轮机内部流动及特性进行三维数值模拟分析,是可行的研究方法,也是水轮机流体计算研究的一个方向。水轮机流道形状和水流运动的复杂性,使得水力激发的振动难以把握。导叶是水轮机里重要的水力过流部件,它调节控制进入转轮液流流量。导叶水力性能的优劣直接影响到转轮内的流态从而影响水轮机的效率和稳定性。本论文根据某一具体水电站的实际水力参数来建立水轮机双列叶栅的过流通道模型,通过计算流体动力学方法采用基于有限体积法的商用CFD工程软件对其进行模拟分析,得到合理结果,对深入了解导水部件流激振动机理、避免水力共振,保证机组安全运行有一定参考价值。本文主要做了以下工作：借助大型CFD商用软件FLUENT针对水轮机导水机构内流体进行分析。本研究采用了LES大涡模拟方法对某一具体水利工程水轮机采用的对称型导叶针对其实际工况下导叶周围流场各量的分布、数值进行了三维非定常紊流数值模拟。在数值离散时,采用SIMPLEC算法实现速度、压力变量的分离求解。通过模型计算最终得到活动导叶几种代表开度下导叶周围流场速度分布、压力分布、湍流粘度分布以及水流旋转运动。结果表明导叶正压面上压力随攻角的增加而增大；负压面上压力随攻角的增加而减小,并出现明显回流现象。大攻角时导叶尾部出现湍动能很大的周期脱落尾迹涡。使用通用有限元分析软件ANSYS分析导叶在空气中和静水中的自振频率。通过振动力学相关理论及声学理论计算所得流体在导叶上的力进行耦合求解,采用子空间迭代法和非对称法求得此具体导叶在空气中和静水中的自振频率。本文模拟结果与其他相似研究和实际情况吻合,比较可信。通过本文究及相关各种资料查阅可知将基于有限元方法的结构分析仿真技术应用于水轮机导水机构的设计分析,可以缩短研制周期,降低开发成本,对改进水轮机设计提供一定的参考价值。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
第一章绪论  10-18
  1.1 问题的提出，课题研究的目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  11-15
    1.2.1 现阶段水轮机的研究方法  12-13
    1.2.2 国内外学者研究现状  13-15
  1.3 本课题的主要研究内容  15-18
第二章流场的流动描述及数学模型  18-43
  2.1 流体运动的基本控制方程  18-21
    2.1.1 质量守恒方程  18
    2.1.2 动量守恒方程  18-20
    2.1.3 能量守恒方程  20-21
  2.2 控制方程的离散  21-32
    2.2.1 离散方法的选取  21-23
    2.2.2 离散格式的选取  23-28
    2.2.3 求解方法的选取  28-32
  2.3 三维湍流数值模拟方法的介绍及选取  32-40
    2.3.1 直接数值模拟  33
    2.3.2 雷诺平均方法的控制方程  33-37
    2.3.3 大涡模拟的控制方程  37-40
  2.4 FLUENT计算软件介绍  40-43
第三章水轮机导水机构几何模型的建立  43-49
  3.1 水轮机导叶的基本资料  43-44
  3.2 导叶计算模型的建立  44-49
    3.2.1 几何模型的构建  44-46
    3.2.2 网格技术发展介绍  46-47
    3.2.3 网格划分  47-49
第四章导水机构湍流计算及特性分析  49-78
  4.1 计算模型的条件设置  49-52
    4.1.1 湍流模型的边界条件  49-51
    4.1.2 时间步长及离散格式的选择  51-52
  4.2 导叶计算工况点的选取  52-53
  4.3 模型的计算及分析  53-68
    4.3.1 活动导叶模型的计算及结果分析  53-64
    4.3.2 双列叶栅模型的计算结果及分析  64-68
  4.4 计算结果汇总  68-76
  4.5 本章总结  76-78
第五章活动导叶空气与水中的自振频率  78-92
  5.1 自振频率计算的数学模型  78-79
  5.2 有限元离散方法  79-81
  5.3 ANSYS软件简介  81
  5.4 导叶几何模型的建立及求解  81-82
  5.5 活动导叶水中声场流固耦合数学模型  82-86
  5.6 声场的有限元分析方法  86-87
  5.7 导叶声场流固耦合模型建立  87-89
  5.8 计算结果及分析  89-92
第六章主要研究成果与展望  92-94
  6.1 主要研究成果  92-93
  6.2 展望  93-94
致谢  94-95
参考文献  95-100
附录A 硕士期间发表论文  100-101
附录B 模型叶片压力和剪力云图  101-105
附录C 活动导叶空气中模态图  105-107
附录D 活动导叶模型速度矢量时间变化图  107-109

水轮机导水机构双列叶栅流动数值模拟及振动特性分析

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