可逆式水轮机的数值模拟与性能分析

本文基于Navier-Stokes方程和设计的k-ε湍流模型,采用贴体坐标和交错网格系统,采用SIMPLEC算法对一高水头可逆式水轮机进行了全流道三维湍流数值模拟.详细分析了可逆式水轮机在设计工况以及非设计工况下的双向运转过程中,转轮内部,转轮和导叶交接处和尾水管中的流场,同时讨论了部件的能量性能.并结合相关知识对此进行了初步的分析.计算结果揭示了水泵水轮机转轮内部流动规律及部分原因.预测了此水泵水轮机的水力性能.     

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。     

水轮机尾水管三维湍流数值模拟

利用κ－ε两方程湍流模型建立了适应水轮机尾水管三维湍流的控制方程组,推导出用爱因斯坦求和下标所表示的三维控制方程在贴体坐标下的张量形式。应用有限差分法对控制方程进行了离散,编制了三维湍流的计算程序,计算方法和程序用三维弯管湍流的试验数据进行了验证。对尾水管的内部流场进行了计算,得到了尾水管中压力场及速度场分布以及尾水管中的回流和二次流现象。     

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.     

混流式水轮机三维空化湍流场混合数值模拟

基于欧拉–欧拉方法中均匀多相流假设的混合两相流体无滑移模型,加入考虑气穴影响的Schnerr and Sauer空化模型,采用标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型,对某混流式水轮机全流道进行了三维定常空化湍流数值模拟。利用ANSYSFLUENT,获得了该水轮机在偏工况下转轮叶道和尾水管内空泡相的主要流动特征,分析了水轮机流道内空化发生的部位与程度。计算结果表明与单相流体模型相比该方法能有效地预测水轮机内的三维空化湍流场,可以较好地模拟水轮机内真实的有空化发生的多相流动情况。     

转轮表面糙度对水泵水轮机泵工况水力性能的影响

本文研究了转轮叶片过流表面粗糙度对水泵水轮机泵工况下效率与空化的影响。采用对数律壁面函数与三维定常κ-ε湍流模型相结合的方法,在考虑粗糙度影响的基础上,对水泵水轮机模型转轮泵工况下的内部流场进行了模拟,并对模拟结果进行了分析;利用转轮内部流场数据与微观粗糙表面简化物理模型,采用多相流模型对局部粗糙叶片表面做微观流场分析。研究结果表明：粗糙度对转轮效率与空化均有影响,表面粗糙度值越大,效率下降越多,叶片表面上的空化数越大,以此推断叶片表面越易发生空化。     

Spalart-Allmaras湍流模型在混流式长短叶片转轮流场计算中的应用

采用Spalart-Allmaras一方程湍流模型对混流式长短叶片转轮进行了流场计算,并与标准k-ε湍流模型计算出的流场及实验数据进行比较,以验证SA湍流模型在转轮流场计算中的应用.计算基于连续方程和雷诺时均N-S方程,选用SA一方程湍流模型使方程组封闭,通过贴体坐标下的有限体积法对控制方程进行了离散,数值求解采用SIMPLIC算法.通过计算,得出了在不同工况下长短叶片转轮内部流动的速度及压力分布,其计算结果与相关文献中的报道吻合.比较发现与标准k-ε湍流模型计算出的叶片表面压力分布规律完全相同,其偏差在设计工况附近时较小,偏离设计工况越远偏差越大,且压力偏差较大点位于计算结果并不准确的区域,故可认为SA一方程湍流模型与k-ε湍流模型的模拟结果相似.实际计算还发现采用SA一方程湍流模型进行计算时容易收敛,因此SA一方程湍流模型可以成功地应用于混流式长短叶片转轮流场计算,且具有一定的优越性.     

水泵水轮机双向流动控制优化设计

本文建立了能够控制双向流动性能的水泵水轮机在线优化设计模型.模型中采用全三维反问题方法设计转轮叶片,采用叶型逼近方法求解水轮机工况和水泵工况的流场.综合考虑双向流动的能量性能和空化性能,提出了综合性能评价函敫.采用单纯形加速方法,对一高水头水泵水轮机进行优化设计,得到了综合流动性能较好的转轮.全流道的定常湍流计算结果表明,优化后两个流动方向的转轮效率都提高,空化系数降低,证明了优化方法是可行的.模型可以实现计算机的在线优化计算,减少了人工干预.     

试验水头和空化系数对混流式水轮机尾水管压力脉动影响的试验研究

本文通过试验方法研究了模型试验水头和空化系数对混流式水轮机为尾水管压力脉动的影响。首先在混流式水轮机6个典型运行工况,即空载、低部分负荷(叶道涡)、部分负荷、最优工况、额定工况和超负荷工况进行变水头和变空化系数试验。试验结果表明在试验范围内,水头对混流式水轮机尾水管压力脉动幅值影响较小;而在一定范围内,空化系数对混流式水轮机尾水管压力脉动有较大影响。通过对部分负荷和超负荷工况幅值和频率分析发现,空化系数不仅对混流式水轮机尾水管压力脉动幅值有较大影响,对其频率分布也有较大影响。最后比较了以转轮中心线为空化基准面的压力脉动试验结果和以锥管中心线为空化基准面的压力脉动试验结果。研究表明,以转轮中心线为空化基准面进行压力脉动试验比较合理,故进行混流式水轮机压力脉动相似性研究时,需考虑空化系数的差异和空化基准面的选择。     

轴流转桨式水轮机性能预测及运行综合特性曲线绘制

本文对轴流转桨式水轮机进行了全流道三维定常湍流计算,完成了200多个工况点的计算.预测了水轮机的能量性能和空化性能,在此基础上通过包络线法绘制了机组在各个水头下的运行特性曲线,并进一步通过绘制一系列的等效率曲线、等空化系数曲线等得到了水轮机的运行综合特性曲线.计算模型建立在雷诺时均连续性方程和Navier-Stokes方程的基础上,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.     

轴流式水轮机间隙空化与翼型空化差别浅谈

本文介绍了轴流式水轮机间隙空化与翼型空化的差别,并针对在轴流式水轮机模型试验中出现的特殊空化现象,通过CFD数值模拟技术进行分析,初步确定发生空化位置,采取一定的消除间隙空化措施,并在模型试验中进一步证实,该空化现象为间隙空化。     

多喷孔活塞式调流调压阀空化流动特性分析

以DN200多喷孔活塞式调流调压阀为研究对象,基于数值模拟,结合Realizable k-ε湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,研究了小开度、中等开度和大开度下空化流动特性以及节流孔内空化的形成机制,并且分析了开度和空化数对空化流动的影响。结果表明,节流孔处存在较大的压力和流速梯度,节流孔进口边缘附近会出现流动分离,在节流孔壁面形成附壁剪切旋涡,流动分离和附壁剪切旋涡是节流孔内空化的形成机制。同时,固定阀门进出口压力,随着开度逐渐增大,空泡体积线性增加,各开度空化强度相差不大。另外,随着空化数逐渐减小,流量系数呈现出先保持稳定后略微增加再急剧减小的变化趋势。本研究结果可以为该类型阀门的结构优化与运行维护提供参考。     

新型抗磨蚀密封结构的研究

本探讨了螺旋密封的设计方法，首次将该密封形式应用于甘肃巴家嘴水电站２＃机Ａ４３０转下止漏环的设计中，试验结果表明抗磨蚀效果显。巴家嘴水电站年均含沙量为１９０ｋｇ／ｍ＾３，最大含沙量为１２００ｋｇ／ｍ＾３，在水头Ｈ＝３２ｍ转轮出口相对流速Ｗ＝１７ｍ／ｓ条件下，原转轮在浑水期运行４５天后，转轮上下迷宫环密封全部磨平，效率下降到６５％。而采用螺旋密封形式的Ａ４３０转轮下止漏环经过两年多运行检查未发现     

模型水轮机同步成像方法及空化观测系统研究

模型水轮机空化状态的界定普遍依靠观测试验来实现,观测多采用人工观测的方法,也有采用摄像机摄像的方式进行试验,两种方式均存在各自的缺陷。本文根据观测试验原理提出一种同步成像方法并设计同步成像系统,成像系统的应用对模型水轮机水力性能优化设计及空化研究提供有力支持。     

水轮机的空化及试验水温对其的影响

分析了水轮机的空化现象,推导了空化系数与试验水温的关系,并对推导结果进行了试验验证。     

空腔危害水力机械稳定性理论Ⅰ-空腔及涡旋流

本文将空腔分为涡旋流型空腔和非涡旋流型空腔,并在对涡旋流进行分类研究的基础上深入研究了外围启动型漩涡,论证了空间限制型涡旋流涡心最高流速和限制尺寸之间的关系,提出了漩涡空腔尺寸的估算公式,并据此对受空腔影响的原模型水力稳定性相似性进行了深入分析。     

水轮机空化在线监测系统设计

现有的水轮机空化在线监测系统大多信号频带窄、仅有单通道且无板上信号处理,造成系统的检测精度比较低且不利于空化空间定位和在线检测。文中提出一种空化在线监测系统,系统的分析频段从1Hz到500kHz,扩大了研究频段,便于提高空化检测的精度;系统具有8个通道,提高了检测的空间分辨力,系统板载TI公司数字信号处理器的特点提高了空化信号处理能力并压缩了数据量。在水轮机空化模型试验中采用了该系统。研究发现,随着空化系数减小,加速度信号和声信号的均方根总体均逐渐增大。所以,加速度信号和声信号都可以用来检测空化,其中声信号检测更加可靠。同时,发现在空化初生附近,声信号中高频成分能量百分比达到一个很显著的极值,这对于空化初生检测是很有益的。     

锅炉给水泵大流量工况下汽蚀的防治

简要分析了给水泵的汽蚀机理以及大流量工况下出现汽蚀的原因 ,并根据给水泵基本原理和实际性能曲线 ,创建新的流量和临界汽蚀余量的数学模型。同时 ,把该模型应用于 FK6D3 2 型锅炉给水泵 ,确定了大流量工况下汽蚀现象防治方案     

空化水流与水流空化数的压强差当量表述

引用＂物态＂与＂物像＂,以及＂像＂为＂态＂的＂当量＂表述等概念,以四个数轴的图形解析方式,比较了三种空化数的压强（差）当量与压应力状态的相对关系。从水流空化状态的客观发展过程和描述各个空化状态的空化数的物理意义出发,分析了各种空化数的数值描述与空化水流状态的不对应性。指出了托马斯空化数等不宜作为水流空化的状态描述及相似性代表的本质。并间接提醒人们,以数学方程式描述客观的自然现象,首先不能超越物理学的基础边界。否则,其推导结论很难与客观的工程实际问题相互对接。     

含沙量对高速水流空蚀影响的试验研究

本文在小型循环式水洞中试验研究了含沙量对高速水流空蚀影响的机理。首先,在小型循环式水洞的水箱内筒中人工配制了低含沙量、中含沙量、高含沙量的挟沙水流,用红外测沙仪测定了挟沙水流的含沙量,用压力动态数据采集系统量测了不同含沙量时空蚀区的压力;其次,为了探究含沙量对空蚀和磨蚀的影响,制作了不同龄期、不同配合比的混凝土试件,分别在空化区和空蚀区安装混凝土试件,使混凝土试件在不同含沙量工况下进行5 h的空蚀和磨蚀试验,通过混凝土试件每小时的重量损失来表征空蚀量和磨蚀量。试验结果表明：中值粒径d50 = 1.09 mm（沙粒）,含沙量S = 0 ~ 30 kg/m3工况下,水洞空蚀区各测点的压力和空化数随含沙量的增加而升高,促进了空蚀的发生;混凝土试件配合比、龄期不变时,混凝土试件的空蚀程度随含沙量的增加而加剧,空蚀范围扩大。较高强度配合比的混凝土试件在不同含沙量时的抗空蚀能力优于较低强度配合比（的混凝土试件,且含沙量越高,其抗空蚀能力的差距越明显;随着养护时间的延长,混凝土试件在不同含沙量的抗空蚀能力也在增强;相同试验历时的混凝土试件磨蚀量远小于空蚀量,意味着含沙高速水流对混凝土试件的空蚀作用远大于泥沙的磨蚀作用。