水轮机转轮内部三维粘性流动计算与性能预测

本文在三维时均N S方程基础上，采用贴体坐标下的有限体积法和k-ε模型，对混流式转轮内部四个典型工况的三维紊流流动进行了数值模拟，获得了合理的流速和压力分布，在此基础上计算了各个工况下的转轮的水力效率并与试验结果进行了比较，取得了一致的结果。开发的计算软件可进行水轮机转轮的水力设计，达到予测转轮性能的目的。     

不同湍流模型在水泵水轮机内的适用性比较

随着抽水蓄能电站的兴建,水泵水轮机得到了广泛的应用。为了更加合理的探究水泵水轮机在不同工况下的水流运动状况,分别采用标准k-ε、RNG k-ε、SST k-ω及标准k-ω四种湍流模型进行数值模拟计算,主要对水泵水轮机在水泵工况下导叶开度为16 mm的运行工况进行全特性分析。通过对水泵水轮机进行扬程、效率、轴功率等计算,最后与实际测试数据进行分析比较,得出各湍流模型的适用性结论。结果表明:标准SST k-ω模型不适用于水泵工况的计算,RNG k-ε模型最适合于所选水泵水轮机水泵工况下内部流场的模拟计算与性能评估。     

水轮机转轮的三维粘性流数值计算及其结果分析

针对比转速ns为290的混流式水轮机转轮进行三维粘性流数值计算，并对计算结果作了初步分析．计算中，紊流模型采用目前国内外广泛使用的k-ε模型，流速与压力的迭代修正采用SIMPLE法．共对包括设计工况在内的8个工况点进行了流场数值计算及水力性能分析．计算表明，设计工况下的流速分布最为均匀，叶片进口边基本上为无冲角绕流，效率也最高；随着水头的提高，正冲角增加，最后在叶片背面进水边后靠上冠处产生漩涡区；而当水头相对设计水头降低时，负冲角增加，最后在叶片正面进水边后靠上冠处产生漩涡区．经分析认为这些漩涡区是非设计工况下叶道涡产生的根源，亦是水力性能下降的主要原因．此外，通过对压力系数分布曲线的分析，确定了局部低压区，从而为改型设计提供了依据．计算结果不仅能详细给出水轮机转轮内的流速和压力分布，而且能给出水轮机转轮的水力性能预估值，本计算所依赖的计算软件可成为水轮机转轮开发研究的重要手段．     

水泵水轮机转轮内部三维紊流流场计算与性能分析

水泵水轮机转轮可以在正反两个方向上旋转，用一个转轮分别实现水泵和水轮机工况的运行。在设计阶段提前预知转轮在两种工况下的流场以及能量特性对于提高水泵水轮机的设计水平和运行质量具有重要的意义。本基于三维Navier-Stokes方程和标准k-ε模型，采用贴体坐标和交错网格系统，用SIMPLEC算法分析了水泵水轮机转轮中的三维紊流流场。对比了转轮在水轮机和水泵两种工况下的流场，同时讨论了转轮的能量特性。     

双级贯流式水轮机导叶和转轮的水力设计

针对一种新型双级贯流式水轮机,推导了一级导叶、一级转轮、二级导叶和二级转轮的参数设计公式。利用数值模拟商业软件Fluent分析了水轮机在设计工况下的数值性能。数值计算时控制方程采用雷诺时均N-S离散方程,湍流模型选择标准k-ε模型,得到了水轮机的流线图、导叶和转轮叶片的压力面和吸力面的压力分布图,以及中心对称面x=0.083 5的速度矢量图,数值计算结果证明了水轮机设计的正确性。     

轴流式水轮机能量特性预测分析

采用数值计算方法研究轴流式水轮机的能量特性。计算模型建立在雷诺平均的Navier-Stokes方程的基础上，采用k-ε紊流模型,至水轮机流道内部流动进行三维紊流计算。计算不同的工况下机组的特性，绘制转轮在不同桨叶角度下的定桨特性曲线，在此基础上得出转轮的协联曲线及综合运转特性曲线，从而对机组的能量性能作用合理的判断。轴流转桨式水轮机运行效率较高的关键在于，其活动导叶和转轮桨叶之间具有最佳可调性能的协联关系。目前对协联线的绘制有包络线法和最高效率点法，采用何种方法值得进一步研究，针对具体电站机组，应该在最优效率区并偏重安全运行特性来绘制。     

混流式水轮机内三维定常湍流数值研究

基于 k-ε紊流模型和三维时均N-S方程,进行了混流式水轮机全流道的三维定常湍流计算.捕捉到了水轮机过流部件内的流场和非最优工况下转轮通道及尾水管内的旋涡结构与演化特征等流动信息.结果表明,水轮机的全通道CFD分析能够较为准确地预测出水轮机过流部件内的性能参数及内部流场结构,所得到的结果对进行水轮机的水力设计或改型优化设计等研究具有重要的指导意义.     

基于混合平面法的轴流式水轮机内三维湍流数值模拟

通过求解由κ-ε双方程湍流模型封闭的三维时均N-S方程对轴流式水轮机内部四个典型工况的全三维紊流场进行了计算,并采用“混合平面”法处理转轮与导叶问动静耦合流动的参数传递和相互干扰问题。捕捉到了轴流式水轮机内部压力分布和速度分布等重要的流动信息,在此基础上计算了四个工况下转轮的水力效率。结果表明,该方法能够较为准确地预测出轴流式水轮机转轮与导叶间的总性能参数及内部流场结构,所得到的结果对进行轴流式水轮机的水力设计或改型优化设计等研究具有重要的指导意义。     

三峡水轮机转轮固液两相三维紊流计算及磨损预估

本在两流体模型的基础上，使用贴体坐标的有限体积法，利用有哥氏力修正的κ-ε-Ar，两相流紊流模型建立了水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流计算模型。模型中求解了考虑压力对固粒相影响的时均Reyno1ds动量方程，并利用泥沙相的速度和浓度分布，数值计算转轮的泥沙磨损。用该模型计算了三峡水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流流动，数值预估了三个不同工况转轮的泥沙磨损情况．计算表明汛期三峡水轮机转轮将有一定的磨损，磨损的主要部位是叶片正面靠近出口和下环面的三角区。靠近山水边的磨损速率约为1．3mm/年。     

用两相流模型模拟混流式水轮机内空化流动

本文采用两相流中两流体模型模拟混流式水轮机转轮内三维湍流空化流场, 基于两相流中两流体模型的理论和方程, 推导了水轮机转轮中空化两相流的两流体基本方程, 并利用k-ε-kp两相湍流模型计算水轮机转轮中三维空化两相湍流. 计算结果包括了液相和空泡相的主要流动特征, 模拟结果可初步预测流体机械空化性能, 缩短模型试验周期.     

高水头混流式水轮机沙水流动数值模拟及转轮泥沙磨损实验研究

运用N-S方程和标准k-ε湍流模型,对高水头混流式水轮机内部沙水流动进行了全流道数值模拟。根据数值模拟结果和相似定理设计水轮机转轮叶片的单流道泥沙磨损实验装置,进行了转轮叶片泥沙磨损实验,获得了水轮机转轮叶片泥沙磨损的主要发生位置和磨损程度,并根据数值模拟和实验研究结果拟合出了水轮机转轮叶片的磨损率公式。结果表明:水轮机转轮叶片的进水边和出水口位置的磨损程度相对于其他位置更为严重,尤其是叶片背面。该研究对多泥沙河流水轮机转轮叶片的泥沙磨损评估以及维修具有指导意义。     

水轮机转轮固液两相三维紊流计算及磨损预估

本文在两流体模型的基础上，使用贴体坐标的有限体积法，利用有科氏力修正的κ-ε-Ap两相流紊流模型建立了水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流计算模型。模型中求解了考虑压力对固粒相影响的时均Reynolds动量方程，并利用泥沙相的速度和浓度分布，数值计算了转轮的泥沙磨损。为了验证模型的可行性，用该模型计算了刘家峡HL001-25模型水轮机转轮内部的三维泥沙固液两相紊流流动，数值预估了转轮的泥沙磨损并与磨损试验结果进行了比较。     

长短叶片混流式水轮机三维非定常流数值模拟

为探究长短叶片混流式水轮机在不同导叶开度下运行时内部水流流动的特点,基于流场数值模拟的计算方法对长短叶片混流式水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算。结果表明,在不同开度下,转轮与导叶交界面处压力脉动主频皆为转轮转频与叶片数的乘积,且在小流量工况下主频振幅最大。当水轮机在小流量工况下运行时,尾水管涡带呈螺旋形,且绕转轮转轴顺时针旋转,与转轮旋转方向相同;当水轮机在额定工况下运行时,尾水管无涡带产生;当水轮机在大流量工况下运行时,尾水管涡带呈细长的圆锥形。     

水泵水轮机流动可视化研究

利用PIV流场测试技术，对低比速混流式模型水泵水轮机转轮在水轮机工况下进行了可视化研究，结果表明水泵水轮机模型在设计工况下转轮区的流态较好；在非设计工况下，不管正冲角还是负冲角，翼间流场都会有一定的脱流与旋涡存在。尤其在大流量工况下，在叶片正面形成的脱流漩涡，其位置几乎不变，机组运行比较稳定；在小流量工况下，存在着周期性的脱流漩涡，从进口附近逐渐变化到出口附近，机组运行不稳定。     

西藏老虎嘴电站水轮机内部流场数值模拟研究

水轮机在高海拔、低气压等特定地域环境下运行更容易产生空化空蚀现象,充分掌握其内部流场分布特征,对设计制造出适合在西藏3 300 m条件下正常运行的水轮机具有参考价值。以西藏老虎嘴电站水轮机运行参数为实际输入量,应用计算流体力学(CFD)中常用的Fluent 6.3软件,采用Realizable k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对最优工况运行下的水轮机进行了数值模拟,发现其内部流道的压力分布呈现环状,且沿着径向逐渐减小,在转轮叶片区域压力变化梯度最大;靠近蜗壳壁的水流流速较小,且沿着径向均匀增大,速度等值线排列比较均匀,内部流场的水流符合速度矩定理;所有过流部件附近区域的速度矢量分布呈现一种比较光滑、流畅的方式,无脱流、漩涡现象;本次计算结果与实际工况吻合。     

基于ADINA的混流式水轮机流固耦合分析

以连续方程、动量方程、Reynolds应力方程和RANG湍流k-ε模型为控制方程,采用流固耦合理论追踪耦合界面,建立了混流式水轮机数值模型。通过ADINA软件平台,采用流固耦合模块,实现了转轮叶片与内部流场耦合的模拟,得到了转轮结构的应力应变、流场的压力、流速和k-ε分布。     

冷却塔能量回收水轮机的叶片数对水力性能的影响

利用PRO/E软件对水轮机进行三维建模,应用k-ε湍流模型和雷诺时均N-S方程对水轮机进行数值模拟,研究了不同叶片数对水轮机各过流部件水力损失、效率以及压强和流速分布的影响。结果表明:随着转轮叶片数的增加,水轮机效率先增大后减小,在叶片数为20时达到峰值。同时,增加叶片数,叶片间的涡带变小,转轮流线旋转环量增大。水轮机各过流部件中转轮损失最大,损失水头在1 m左右。     

混流式转轮三维湍流流动计算方法

本文研究了基于κ-ε模型的全三维湍流计算技术在水轮机转轮流动计算中的应用方法。文中给出了以求和下标表示的在贴体坐标下的湍流基本方程组，介绍了计算中计算体、初边值的给定方法。最后，介绍了应用该程序对某电站水轮机所作优化后的主要流动计算结果显示。     

三峡水轮机全流道三维流动数值模拟研究

本文使用商业CFD软件FLUENT,开发了部分接口程序,进行了全流道原型水轮机三维湍流数值模拟研究,计算对象是中国水利水电科学研究院机电研究所为三峡右岸开发的水轮机模型,该水力模型有完整的模型试验资料,可用于检验计算结果。水轮机全流道三维湍流数值模拟,计算区域为包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的全部流道。模拟中控制方程采用了三维时均N—S方程、湍流模型采用两方程RNG k-ε模型,数值方法采用贴体坐标的有限体积法。共进行了3个开度条件下的计算,每个开度各进行4个典型工况的三维湍流流场模拟,通过数值方法求解控制方程,获得了全流道的流速和压力分布。计算结果表明流速和压力分布合理,数值计算得到的效率与试验得到的效率进行比较,结果吻合良好。     

水轮机转轮三维粘性流动数值计算

对水轮机转轮内部三维素流计算的基本方法进行了简要介绍,并采用贴体坐标下的有限体积法和K-ε模型,对丰满水电站7号水轮机转轮内部的三维粘性流动进行数值模拟,确定了转轮叶片的切割量,从而对7号水轮机转轮进行割边增容,收到了较好的效果,为老旧水轮机增容改造探索出一条新的道路.