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叶栅尾迹涡系变迁数值模拟

作　者: 钟堰辉
导　师: 张思青
学　校: 昆明理工大学
专　业: 流体机械及工程
关键词: 混流式水轮机 CFD 叶栅涡系三维非定常计算
分类号: TK733.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

混流式水轮机中水流绕流叶片或叶栅时产生水流分离,分离的尾迹形成较复杂的漩涡,通常产生于导叶后部、转轮流道及叶片的出口处。这些涡列会经历产生、向下游迁移的过程中变大至最后消亡的变化过程。导叶出口的尾迹涡系容易引起固定导叶、活动导叶及叶片的共振,甚至可能激发周围局部水流的共振,造成不同程度的破坏,同时,随着涡系的下移,会造成尾水管入口水流条件的恶化,进而加剧尾水管涡带的压力脉动,影响机组运行的稳定性和整机效率。因此有必要对叶栅尾迹涡系的变迁进行研究。本文以HLA351-LJ-170模型机的导水机构和转轮部分为对象建立了三维实体模型,用非结构化网格划分了计算域网格。采用Realizableκ-ε湍流模型和SIMPLEC算法进行了若干工况的三维定常计算,并设置滑移网格面,利用RNGκ-ε湍流模型和PISO算法进行了若干工况的导水机构、转轮一级动静干涉的三维非定常计算,通过定常计算和非定常计算得到了计算域内压强、速度分布及速度矢量图,以图形方式揭示了叶栅尾迹涡系的变化过程。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章绪论  8-15
  1.1 论文的背景及意义  8-9
  1.2 流体力学的发展及现状  9-14
  1.3 论文的主要内容  14-15
第2章 CFD商业软件  15-18
  2.1 CFD软件结构  15
  2.2 常用的CFD软件  15-17
    2.2.1 CFX软件  16
    2.2.2 FLUENT软件  16-17
  2.3 本章小结  17-18
第3章控制方程  18-23
  3.1 粘性流体力学中的动力学方程  18-19
    3.1.1 连续性方程  18
    3.1.2 动量方程  18-19
    3.1.3 能量方程  19
  3.2 不可压流体流动的湍流方程  19-21
    3.2.1 时均N-S方程  19-20
    3.2.2 湍动能方程  20-21
  3.3 贴体坐标下控制方程的转换  21-22
  3.4 本章小结  22-23
第4章不可压缩流体的湍流模型  23-32
  4.1 湍流及其数值模拟方法  23
  4.2 直接数值模拟  23-24
  4.3 雷诺(Reynolds)平均法  24-29
    4.3.1 零方程模型  24-26
      4.3.1.1 Prandtl的混合长度理论  25
      4.3.1.2 Cebci—Smith的涡粘性模型  25-26
    4.3.2 单方程模型  26
    4.3.3 双方程湍流模型  26-27
    4.3.4 改进的双方程湍流模型  27-28
      4.3.4.1 Realizable k-ε模型  27
      4.3.4.2 RNG k-ε模型  27-28
    4.3.5 其它双方程模型  28-29
      4.3.5.1 SST k-ω模型  28
      4.3.5.2 低雷诺数k-ε模型  28-29
  4.4 雷诺应力模型  29
  4.5 大涡模拟(LES)  29-31
    4.5.1 大涡模拟的发展及组成  30
    4.5.2 大涡模拟的运动方程  30-31
    4.5.3 亚格子尺度模型(SGS)  31
  4.6 格子波耳兹曼法(LBM)  31
  4.7 本章小结  31-32
第5章涡系与叶栅绕流  32-42
  5.1 涡系  32-37
    5.1.1 涡系在不可压无粘流体中引起的速度场  32-34
      5.1.1.1 涡旋引发的速度场  32-33
      5.1.1.2 直涡线引起的速度场  33-34
    5.1.2 涡对  34-36
      5.1.2.1 同向涡对引发的速度场  34-35
      5.1.2.2 反向涡对引发的速度场  35-36
    5.1.3 卡门涡  36-37
  5.2 叶栅绕流  37-41
    5.2.1 叶栅绕流分类  38-39
    5.2.2 叶栅的特征方程  39-41
      5.2.2.1 不动叶栅的特征方程式  39-40
      5.2.2.2 移动直列叶栅的特征方程式  40-41
  5.3 本章小结  41-42
第6章问题求解  42-108
  6.1 前述理论总结  42
  6.2 求解条件  42-44
    6.2.1 水轮机基本参数  43
    6.2.2 计算工况点  43-44
  6.3 实体模型  44-46
  6.4 网格  46-50
    6.4.1 网格类型  46-47
    6.4.2 动网格(Dynamic Mesh)与滑移网格(Moving Mesh)模型  47
    6.4.3 动网格(Dynamic Mesh)  47-48
    6.4.4 滑移网格(Moving Mesh)  48-49
    6.4.5 动网格与滑移网格的区别  49-50
    6.4.6 网格划分  50
  6.5. 边界条件及离散方法  50-57
    6.5.1 边界条件的设定  50-52
    6.5.2 计算方法  52-57
      6.5.2.1 控制方程的离散  52-55
      6.5.2.2 空间及时间差分格式  55-56
      6.5.2.3 求解方法  56-57
  6.6 并行计算  57-60
  6.7 计算结果分析  60-108
    6.7.1 定常计算  60-71
    6.7.2 非定常计算  71-108
第七章总结与展望  108-109
  7.1 总结  108
  7.2 展望  108-109
致谢  109-110
参考文献  110-113
附录A  113

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