X型叶片水轮机转轮流场的数值模拟

X型叶片在最近几年被广泛用于高水头大容量混流式水轮机,其数值模拟对计算机的配置提出了更高的要求。模型的建立和网格的粗细直接影响着水轮机数值模拟的结果和对硬件资源的需求。本文从这两方面着手,解决硬件资源一定条件下的大规模流场计算问题。采用全流道和单流道两种几何模型、三种网格精度对X型叶片混流式水轮机转轮进行数值模拟,对能量特性进行了预估,并分析了转轮内部的流动细节。分析结果表明：单流道计算所得能量特性结果优于全流道计算结果,与实验结果一致,这是由网格的粗细引起的;X型叶片表面压力和速度变化均匀,转轮内流动顺畅,表现出良好的水力性能,与实际情况相符;用单流道模型来代替全流道模型对转轮流场进行数值模拟,可以提高计算精度,节省计算时间,降低计算成本。     

网格对水轮机流动计算结果的影响

在对混流式水轮机真机进行多个工况的全流道流动计算中发现计算得到的效率比试验参考效率偏低较多。为此,本文采用不同的网格类型和网格尺度分别对该水轮机的五个典型工况进行了单流道的数值计算。与全流道的计算结果以及试验的结果进行比较,分析了网格密度与计算的转轮效率的关系,并讨论了适合水轮机计算的网格类型,以及在一定的计算资源和不同的工况条件下,适合采用的网格尺度。     

混流式水轮机的三维空化湍流计算

本文应用了三维混合流体完整空化湍流模型,对混流式水轮机内部流动进行了计算.采用了全三维全流道的湍流计算方法,采用基于RNG的k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,从蜗壳进口到尾水管出口,包含所有流道在内的整体一次完成模拟计算.根据得到的三维空化流场数据,对转轮内部流场进行了流场分析,求得了计算临界空化系数,和试验值进行了比较;模拟了不同空化特征下的转轮出口处的空化和尾水管中的空化情况,并和试验数据进行了比较.     

液力变矩器内三维非定常动静干涉流动计算

为研究液力变矩器内泵轮、导轮和涡轮间动静干涉引起的三维非定常流动特性,利用滑移网格技术和RNG k-ε湍流模型计算液力变矩器内湍流流动,得到泵轮全流道内流体压力的主要特征。仿真结果表明:泵轮全流道内流体压力脉动明显;在涡轮转速不变的情况下,压力脉动峰值与半径成正比;在相同半径处,压力脉动峰值与涡轮转速成反比。此外,由压力脉动值的频谱分析结果可知:随涡轮转速或监测点半径变化,泵轮全流道内各监测点压力脉动的频率成分基本一致,但各影响频率成分所占的比例不同。     

基于CFD的长短叶片水轮机压力脉动研究

以长短叶片混流式水轮机三维定常湍流计算结果作为非定常湍流计算初始条件,结合混流式水轮机湍流流动进行全流道三维非定常模拟研究。通过在蜗壳进口、固定导叶及活动导叶前、转轮前和尾水管截面测点压力脉动及频谱分析,得出长短叶片混流式水轮机内压力脉动产生和传播的部分规律。     

贯流式水轮机三维定常湍流计算及改型设计

本文完成了福建大干水电站贯流式水轮机转轮的改型设计，同时完成了水轮机原型改型前后的全流道三维定常湍流计算，验证了改型设计的可行性。通过计算获得了各过流部件的流动细节，预估了水轮机的性能，与模型试验结果进行了比较，并从提高流量的角度对水轮机进行了改进，提高了机组的出力。     

基于CFD的长短叶片水轮机全流道湍流流动定常研究

以混流式水轮机HLA351为原型,基于FLUENT,采用Realizable k-ε双方程湍流模型和三维时均N-S方程,对长短叶片结合混流式水轮机在额定流量工况下湍流流动进行了全流道三维定常模拟研究,获得了长短叶片水轮机全流道的流速和压力分布。计算结果表明,长短叶片结合的水轮机流速和压强分布合理、性能优,对水力机械的设计等研究具有重要的指导意义。     

基于CFD的混流式水轮机减压管数值分析

水轮机中的减压管对于水力发电机组稳定性的影响,已经引起了研究人员和运行人员的普遍关注.基于计算流体动力学软件CFX,采用N-S方程和RNG k-ε湍流模型,通过对某电站原型水轮机进行三维定常全流道数值计算,分析了含减压管和转轮上冠密封间隙的混流式水轮机三维全流道数值模拟的建模过程,以及减压管对转轮上冠密封间隙流场的影响,并且分析了转轮上冠密封间隙和减压管内部流动的特性.     

应用三维导叶的混流式水轮机湍流计算

对两种采用了新型三维导叶的混流式模型水轮机采用RNGk-ε湍流模型进行了全流道数值计算,得到了其能量性能,计算结果与模型试验结果基本一致。对水轮机内部流场进行了详细分析,讨论了通流部件的内部流动情况。通过与二维导叶的结果对比,分析了新型三维导叶对水轮机内部流动的影响。结果显示,三维导叶对于减少吸力面叶道涡有明显效果,对水轮机的内部流动情况有很大的改善。     

混流式转轮内部流场的涡动力学分析

本文通过理论分析,推导了水轮机叶片所受力矩的涡动力学表达式,阐述了用涡动力学分析从全局和局部诊断水轮机内部流动的原理。用数值方法对混流式水轮机的转轮内部流场进行了计算,采用了全三维全流道的湍流计算方法,基于标准k-ε湍流模型和SIMPLEC数值方法,从导叶进口到尾水管出口,包含所有流道在内的整体一次完成计算。根据得到的流场数据,对转轮内部流场进行了涡动力学分析,得到了叶片表面的BVF分布和表面摩擦力线的分布,进行了全局和局部流场诊断,通过和用压力、速度等传统分析方法的对比,结合试验数据,验证了涡动力学分析方法的实用性。     

混流式水轮机三维非定常湍流计算

本文完成了混流式模型水轮机全流道的三维非定常湍流计算。以N S方程为基础 ,补充以湍流模型并通过有限体积对控制方程进行离散 ;数值求解采用SIMPLEC算法 ;分别对标准k ε湍流模型和重整化群 (RNG)k ε湍流模型进行了比较计算     

基于计算流体动力学的混流式水轮机性能预估

基于雷诺时均N-S方程和标准k-ε双方程湍流模型,对混流式水轮机全流道的三维定常湍流的48个工况点进行了计算。捕捉到了水轮机各过流部件内及动静部件间的流动细节和旋涡的结构与演化特征等重要流动信息。在全流道三维定常湍流计算的基础上,建立了基于N-S方程的混流式水轮机性能预估方法。预估的能量性能与试验结果相符。结果表明所提出的混流式水轮机性能预估方法应用于水轮机的水力设计和改造中,可以减少模型试验次数和缩短产品开发周期。而且此种性能预估方法不但可预估水轮机的性能,同时还可获得水轮机各过流部件内的流场信息,能从定量和定性两个方面评价水轮机的性能。     

混流式水轮机改造前后内部流动特性对比分析

为探究将某高水头电站原常规混流式水轮机转轮改造为长短叶片式转轮后的能量性能、空化性能以及水力稳定性的改变,采用流场数值模拟的计算方法对改造前后水轮机运行在典型工况(小开度工况、额定工况、大开度工况)下进行全流道三维定常空化湍流计算以及全流道三维非定常湍流计算分析。计算结果表明,改造后的水轮机效率在小开度工况处提高了6.7%,额定工况处提高了6.2%,大开度工况处效率提高了6.8%;改造后水轮机空化性能在大流量工况处得到了大幅度提高;改造后水轮机压力脉动幅值在小开度工况处降低了20.9%,额定工况处降低了21.5%,大开度工况处效率降低了13.8%(监测点1处)。研究结果对类似混流式水轮机的改造有一定的指导作用。     

水轮机转轮工作过程中的流固耦合分析

本文分析了某型混流式水轮机工作过程中水流与转轮的单向流固耦合作用及响应。在分析单向流固耦合作用基本原理的基础上,分别建立了表示水轮机流体域的各个过流部件的三维模型和转轮模型,并装配这些部件得到了水轮机的全流道三维模型;应用ANSYS CFX软件进行了全流道CFD计算,并将计算得到的流体-转轮交界面冲击压力数据导入至转轮力学分析模块,计算得到了转轮在工作过程中的总体变形、应力及应变响应数据。结果表明,叶片侧缘切水刃边及出水边、叶片根部是失效危险位置,制造过程中宜对这些部位做特殊耐磨及强化处理,并在运行监测过程中对这些部位进行有针对性的重点关注与检查。     

混流式水轮机压力脉动预测

通过混流式模型水轮机全流道的三维非定常紊流计算，预测了引水部件和尾水管的压力脉动。计算以N－S方程为基础，基于贴体坐标和交错网格划分，对控制方程进行变换和离散，采用SIMPLEC算法求解，应用了RNG的k-ε湍流模型。     

自由呼吸式质子交换膜燃料电池的研究--三维数值分析阴极流道结构对电池性能的影响

由于阴极气体通道中的自然对流和传热传质特性与电化学反应的耦合,阴极流道对自由呼吸式质子交换膜燃料电池(PEMFC)的性能有着极大的影响。合理的流道设计有助于氧气质量传输和流道中水的合理分布,有效提高电池性能。根据自由呼吸式燃料电池的内部传输现象,建立了三维的流体传动,传热传质和电化学模型,基于计算流体力学(CFD)数值计算方法,利用商业CFD计算软件三维求解了Navier-stokes方程,同时利用用户自建的子程序对电化学模型及水的传输模型进行了求解,二者相互耦合。模型计算经过实验进行了验证。针对不同阴极流道开口率对实际电池性能的影响,计算了电池的内部参数。通过分析结果,提出了这种电池操作条件和设计下的最佳开口率。     

基于CFD分析的轴流式叶片动应力问题研究

以轴流式水轮机全流道三维非定常湍流数值计算结果为基础,采用弹性力学非稳态有限元法开展了轴流式叶片的动应力问题研究.计算结果表明,水轮机内部随时间变化的压力场导致叶片结构承受了较大的动态应力,叶片上的最大等效应力点与实际叶片破坏的位置一致;各工况相比叶片转角越小,叶片应力波动越剧烈;叶片上各点的动应力频率成分与流道内的水压力脉动频率基本一致,叶片上的高幅动应力是引起叶片裂纹,导致结构破坏的主要原因.     

混流式模型水轮机全流道三维定常湍流计算

本完成了为岩滩水电站所设计的混流式水轮机模型的全流道三维定常湍流计算。计算程序以雷诺时均连续性、N—S方程作为控制方程，选用标准k—ε双方程湍流模型使方程组封闭。数值求解通过SIMPLEC算法实现速度、压力的分离求解，离散差分格式具有二阶精度。通过计算获得了各过流部件的流动细节，预估了水轮机的能量、空化性能，并与模型试验结果进行了比较。     

竖井位置对双向贯流泵装置水力特性的影响

双向竖井贯流泵作为一种可实现双向抽引的低扬程泵装置形式,在平原城市地区应用广泛,而竖井布置位置一直是工程实际中需要考虑的问题之一。本文通过三维造型软件建立模型,并使用全结构化网格划分方法划分竖井流道、直管流道、叶轮段及导叶段网格,数值计算控制方程为连续性方程、k-ε湍流模型方程和雷诺时均方程并采用稳态计算对双向竖井贯流泵装置进行模拟。计算分别模拟了竖井贯流泵的竖井前置、后置两种情况下泵装置叶轮正向反向运行共计四种运行情况的水力性能特性。结果表明,设计工况下无论竖井后置或是前置,泵装置正向运行效率皆高于反向运行。无论泵装置正反向运行,竖井流道和直管式流道作为进水流道时流态皆较为平顺,水力性能差异不大;泵装置正向运行时竖井流道和直管式流道作为出水流道时尽管因造型不同内部流态有所差异但总体水力损失较小。反向运行时出水流道环量不能被导叶回收,产生能量损失较正向运行大,而此时竖井流道作为出水流道水力性能要劣于直管式出水流道。     

湍流模型对水轮机压力脉动数值预测的比较

分别采用大涡模拟模型、标准k-ε模型和Realizablek-ε模型,对模型水轮机全流道内的三维非定常湍流进行了数值模拟,对导水机构及尾水管内的湍流压力脉动进行分析,并与试验结果比较。分析结果表明:大涡模拟方法对湍流脉动的大尺度分量进行直接模拟,对强旋流有很好的适应性,能够较准确预测水轮机的压力脉动;Realizablek-ε模型考虑了流体微团转动的影响,可定性分析水轮机全流道的压力脉动特征;标准k-ε模型忽略了流体微团转动的影响,对水轮机压力脉动的模拟结果误差较大。