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浑水电站用水轮机水力模型开发方案研究

作　者: 周慧利
导　师: 齐学义
学　校: 兰州理工大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 混流式水轮机泥沙磨损性能预估数值模拟
分类号: TK730.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 24次
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内容摘要

近年来，计算流体动力学分析—CFD技术已日趋成熟，它在水轮机的模型开发研究和内部流场分析方面的应用越来越广泛。CFD数值模拟能够较准确地获得水轮机内部流场分布及各过流部件内部流动状态信息，为研究水轮机水力模型的水力性能提供了技术支撑，是成功设计出高性能水轮机模型和对现有水轮机进行优化的有效手段。我国的水轮机泥沙磨损是十分突出的问题，造成巨大经济损失。建国以来虽着重进行了磨损机理、抗磨蚀材料及防护措施等大量实验研究，取得了一定成效，但这一难题仍未得到满意解决。由于两相流工况下水轮机过流部件的设计理论不是十分完善，在实际工程设计中多数的设计是建立在经验基础之上，利用清水设计理论并加以修正来设计，以至于设计出的水轮机在实际含沙河流上运行时性能得不到保证。因此，开展新的抗磨损水力模型研究是十分必要的。本文的主要研究内容和创造性成果如下：1、参照水头段和比转速相近、性能优良的已有转轮水力模型全流道的几何参数，采用二元理论ω_u≠0的方法，遵照转轮要满足在一定使用水头下，有尽可能高的转速和尽可能大的过流能力、较高的最高效率和平均效率，要有良好的空蚀性能、工作稳定性和对变工况的适应能力等的要求，设计出了转轮的初始方案。2、借助Pro/E对已设计出的混流式水轮机进行全流道三维实体造型；用ICEM对实体造型划分网格。对初始设计的水力模型方案进行数值模拟，通过分析数值模拟的结果对相关部件的几何尺寸和形状做了调整、修形和改进。3、对固定导叶与活动导叶在不同相对位置时的泥沙磨损情况进行了分析，并给出了抗磨损性能较好的导叶相对位置。4、对水轮机的大流量工况、设计工况、小流量工况进行模拟分析，得到各过流部件内部详细流动信息，结果表明设计工况压力、速度分布最好，非设计工况也基本能满足预期要求。5、模拟了颗粒直径一定，颗粒体积浓度不同时，在两相介质情况下的流动状况，从模拟结果可以看出固体颗粒浓度不同对水轮机过流部件的磨损规律不尽相同，对于具体河流上的水电站的运行情况，在设计时应具体考虑，以达到整体水轮机组的较好的水力性能。6、设计出了一个性能良好的混流式水轮机的水力模型方案；通过对所设计的混流式水轮机水力模型的49个工况点的数值模拟预估了其水力性能，基本上都达到了设计要求和预期效果。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-14
  1.1 课题研究目的和意义  10-11
  1.2 国内外研究现状综述  11-12
  1.3 主要研究内容与目标  12-14
    1.3.1 本课题的主要研究内容  12-13
    1.3.2 本课题的研究目标  13-14
第2章水力机械数值模拟的理论基础  14-21
  2.1 水轮机 CFD 方法概述  14
  2.2 流体与流动的基本特性  14-15
  2.3 流体动力学控制方程  15
  2.4 湍流模型的选取  15-18
  2.5 SIMPLE 算法的基本思想  18-19
  2.6 Fluent 中的多相流模型  19
  2.7 Fluent 中的多相流模型的选择  19-20
  2.8 商业 CFD 软件的简介  20
  2.9 本章小结  20-21
第3章水轮机转轮的三维造型及网格划分  21-30
  3.1 引言  21
  3.2 水力设计基本参数  21
  3.3 混流式水轮机叶片的三维造型  21-25
    3.3.1 转轮木模图的处理  21-22
    3.3.2 三维空间叶片水平截面曲线的生成  22-23
    3.3.3 三维叶片空间实体的生成  23-24
    3.3.4 水轮机模型全流道三维造型  24-25
  3.4 数值计算的网格技术  25-28
    3.4.1 网格生成的要求  25
    3.4.2 结构化网格  25-26
    3.4.3 非结构化网格  26-27
    3.4.4 混合网格  27
    3.4.5 网格划分软件的选取  27-28
  3.5 本章小结  28-30
第4章导叶相对位置对水轮机性能的影响  30-35
  4.1 导叶磨损及其磨蚀机理分析  30
  4.2 计算结果及分析  30-34
    4.2.1 导叶分布关系  30-31
    4.2.2 周向相对位置计算结果分析  31-32
    4.2.3 不同周向相对位置对水轮机效率的影响  32-33
    4.2.4 径向相对位置计算结果分析  33-34
  4.3 小结  34-35
第5章水轮机内部流场数值模拟及性能分析  35-61
  5.1 初始模型的改进与完善  35-37
  5.2 水轮机的性能预估  37-42
    5.2.1 性能预估工况说明  37-38
    5.2.2 能量性能预估及结果  38-40
    5.2.3 转轮的空化性能分析  40-42
  5.3 水轮机三维湍流计算结果及分析  42-45
    5.3.1 流场计算工况点选取说明  42
    5.3.2 各过流部件的计算结果分析  42-45
  5.4 三维湍流计算结果显示  45-53
  5.5 颗粒直径和流量一定不同体积浓度下流场数值计算及分析  53-60
  5.6 本章小结  60-61
结论与展望  61-63
  结论  61
  展望  61-63
参考文献  63-66
致谢  66-67
附录A 攻读学位期间公开发表的论文  67

浑水电站用水轮机水力模型开发方案研究

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