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水轮机弱可压缩水体耦合水锤与空化流数值模拟研究

作　者: 张洪明
导　师: 张立翔
学　校: 昆明理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 弱可压缩水体耦合水锤空化压力管道水轮机 OpenFoam
分类号: TV136.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文是由包括国家自然科学基金重点项目“水电站的水机电耦合研究(50839003)”和内的多个项目的长期资助下完成的(项目编号：50079007,90210005,50579025,51279071)。从弱可压缩流体的相关理论出发建立了基于弱可压缩水体耦合水锤与空化流动的理论模型,针对理论模型开发了适用于弱可压缩问题求解的非对角占优非线性大规模并行计算求解器,并完成了一例高水头、长管线水电站耦合水锤的现场试验,获得了大量有关耦合水锤的实测数据。基于自主开发的数万条程序代码,对某高水头水电站管道竖井段的耦合水锤问题、高水头混流式水轮机以及低水头混流式水轮机的空化流动问题进行了精细数值模拟并与试验实测和文献进行了比较,结果吻合很好,验证了本文理论、方法及源程序代码的正确性,取得了具有创新性的研究成果。研究工作主要表现在以下四个方面：1.理论建模(1)根据相关的弱可压缩流体理论,在柱坐标下建立了适合描述水电站管道弱可压缩水体运动的控制方程,能够描述管道水锤波-流耦合、波-波耦合的水力瞬态过程。(2)在经典压力管道壳模型的基础上将传统用势流理论描述流体的方法改用三维粘性流体来描述,在任意曲线坐标下基于ALE框架建立弱可压缩水体基于壳模型的控制方程,得到了考虑管道与水轮机波-流耦合、波-波耦合、流-固耦合的水锤模型。(3)建立了考虑弱可压缩水体的单相空化模型和质量输运空化模型,可描述水轮机弱可压缩水体瞬态条件下的空化特性。2.程序代码开发(1)在OpenFoam开源C++类库之下基于提出的水轮机弱可压缩水体耦合水锤及空化模型,编写了数万条程序代码,自主开发了适用于弱可压缩水体的非对角占优三维高效并行求解器。(2)实现了基于OpenFoam扩展版中有限元模块和本文弱可压缩水体CFD代码的耦合,建立了高精度的插值方法,使描述流体空间离散的有限体积在单元中心处的属性插值到节点上,实现了根据物面条件进行力及位移的传递。(3)构造了弱可压缩水体CFD代码与FEAP开源有限元壳单元代码相结合的考虑弱可压缩水体与管道耦合的程序代码,并在FEAP上构造了基于正交曲线坐标的壳单元,同时利用面向对象技术调用OpenFoam类库中的k-ε湍流模型,使得代码既考虑了水体的弱可压缩性又可描述流体的湍流特性。3.原型试验研究结合理论研究,耗时2年完成了某高水头、长管道水电站耦合水锤的原型观测和试验分析工作,得到了大量的试验实测数据,获得了高水头电站水体弱可压缩性及甩负荷耦合水锤波动特性第一手数据,验证了本文理论模型及程序代码的正确性。4.数值模拟及验证(1)基于本文建立的弱可压缩水体耦合水锤理论、空化模型以及开发的求解器,对荷兰DELFT水锤基准试验装置A进行了数值模拟,数值结果清晰给出了该装置“波-流”、“波-波”及“流-固”耦合的耦合水锤波动情况,计算的相关数据与试验实测完全吻合。(2)利用本文开发的求解器,对上述试验的高水头、长管道水电站压力管道的竖管段进行了流体-结构耦合作用分析。通过两种工况下竖管弯头处的压力及应力的比较,计算的管壁应变及压力结果与试验实测数据吻合。(3)用本文提出的空化模型和开发的程序代码模拟了文献广泛使用的NACA0015翼型,并将计算结果与文献提供的实验和计算数据进行对比,结果表明,本文模型和代码的计算结果与文献提供的空化实验结果吻合,并能清晰的捕捉翼型前沿片状空泡初生、反向射流使空泡断裂、后部云状空泡脱落以及前沿片状空泡再生成的准周期运动规律。(4)分别对高、低水头混流式水轮机空化流特性用本文模型及代码进行了全流道空化数值模拟,并对蜗壳-固定导叶区、活动导叶区、转轮区及尾水管区的空化特性进行了分析,得到的尾水管中的涡带形状、转轮区及尾水管锥管段内空化特性以及压力脉动等与相应机组的实际运行情况吻合。(5)用本文开发的程序代码对上述高水头电站水轮机尾水管补入自然空气进行了考虑相变的水-气-汽多相流数值模拟,分析了空气进入尾水管后压力脉动的改善情况,计算得到的结果与实际工程运行的情况吻合。通过以上四个方面的工作,本文将水轮机弱可压缩水体耦合水锤及空化问题从理论建模、计算方法、源程序代码开发、原型水电站水锤试验观测、水轮机空化流数值模拟等方而进行了系统的理论研究及相关技术开发,研究工作耗时近10年,取得了具有创新性的成果。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-14
第一章绪论  14-38
  1.1 研究背景  14-15
  1.2 压力管道瞬态流动与耦合水锤研究简述  15-30
    1.2.1 压力管道瞬态流动研究简述  15-23
    1.2.2 压力管道耦合水锤研究简述  23-30
  1.3 水电站压力管道和水轮机空化研究简述  30-37
    1.3.1 压力管道空化研究简述  31-33
    1.3.2 水轮机空化问题研究简述  33-37
  1.4 水体弱压缩性对水锤特性的影响  37
  1.5 本论文的主要工作  37-38
第二章弱可压缩水体耦合水锤理论  38-56
  2.1 压力管道耦合梁模型  38-42
    2.1.1 轴向运动4-方程模型  38-40
    2.1.2 考虑横向变形的4-方程模型  40-42
  2.2 弱可压缩水体的运动描述  42-47
  2.3 压力管道壳模型  47-54
  2.4 弱可压缩水体与管道耦合建模  54-55
  2.5 本章小结  55-56
第三章弱可压缩水体空化流建模  56-76
  3.1 空化形成机理  56-57
  3.2 空化流动数学建模方法  57-59
  3.3 常用空化模型  59-68
    3.2.1 Singhal等人提出的空化模型  59-63
    3.3.2 Bakir等人提出的空化模型  63-66
    3.3.3 Kunz等人提出的空化模型  66-67
    3.3.4 Sauer等人提出的空化模型  67-68
  3.4 弱可压缩水体空化流建模  68-74
    3.4.1 弱可压缩水体单相空化模型  69-72
    3.4.2 弱可压缩水体质量输运空化模型  72-74
  3.5 本章小结  74-76
第四章弱可压缩水体耦合水锤与空化流程序设计  76-106
  4.1 OpenFOAM简介  76-77
  4.2 基于OpenFOAM的程序设计基础  77-85
    4.2.1 张量运算  77-79
    4.2.2 求解域离散  79
    4.2.3 偏微分方程离散  79-83
    4.2.4 瞬态时间离散  83-84
    4.2.5 边界条件处理  84-85
  4.3 弱可压缩水体CFD程序实现  85-88
  4.4 弱可压缩水体与管道耦合程序实现  88-96
    4.4.1 流体-结构耦合程序实现技术  88-91
    4.4.2 程序实现  91-96
  4.5 弱可压缩水体空化流程序实现  96-104
    4.5.1 弱可压缩水体单相空化模型程序实现  96-100
    4.5.2 弱可压缩水体质量输运空化模型程序实现  100-104
  4.6 本章小结  104-106
第五章弱可压缩水体耦合水锤试验  106-118
  5.1 实验装置和实验工况  106-114
    5.1.1 实验装置  106-109
    5.1.2 实验工况  109-114
  5.2 试验数据分析  114-117
  5.3 本章小结  117-118
第六章弱可压缩水体耦合水锤分析程序代码验证及应用  118-138
  6.1 弱可压缩水体耦合水锤分析程序代码验证  118-123
  6.2 考虑水体弱可压缩的短直管耦合水锤分析  123-129
  6.3 弱可压缩水体耦合水锤代码在水电站长输管道竖井管段应用  129-137
    6.3.1 满负荷工作时竖井段管道流体-结构耦合作用分析  131-133
    6.3.2 水锤荷载下竖井段管道流体-结构耦合作用分析  133-137
  6.4 本章小结  137-138
第七章弱可压缩水体空化流分析程序代码验证及应用  138-170
  7.1 弱可压缩水体空化流分析程序代码验证  138-145
    7.1.1 计算模型选取  138-139
    7.1.2 与实验结果对比分析  139-143
    7.1.3 反向射流产生和变化分析  143-145
  7.2 弱可压缩水体高水头混流式水轮机部分载荷运行空化流分析  145-158
    7.2.1 蜗壳及固定导叶区域的空化流分析  148-149
    7.2.2 活动导叶区域的空化流分析  149-150
    7.2.3 转轮区域的空化流分析  150-155
    7.2.4 尾水管区域的空化流分析  155-157
    7.2.5 尾水管涡带分析  157-158
  7.3 弱可压缩水体高水头混流式水轮机尾水管补气空化流分析  158-162
  7.4 弱可压缩水体低水头混流式水轮机部分载荷运行空化流分析  162-168
  7.5 本章小结  168-170
第八章结论与展望  170-172
致谢  172-174
参考文献  174-192
附录A (攻读博士学位期间发表的相关论文)  192-193
附录B (攻读博士学位期间参与的国家基金项目)  193-194
附录C (攻读博士学位期间获奖项目)  194

水轮机弱可压缩水体耦合水锤与空化流数值模拟研究

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