潮流能水平轴水轮机空化数值模拟

以50 k W潮流能水平轴水轮机为例进行叶片设计,采用计算流体力学软件Fluent分别模拟全湿流模型和空化流模型的水轮机水动力学性能,数值模拟结果表明水轮机运行过程中存在空化现象,空化首先发生在背流面叶片尖端,由叶片尖端向叶片中部发展,空化的发生可降低水轮机的功率系数和扭矩系数,增大水轮机的轴向力系数,工程上应采取相应的措施。     

竖轴潮流能水轮机叶片安装位置研究

将竖轴潮流能水轮机简化为二维形式,以二维机翼非定常运动数值分析方法为基础,构建多机翼非定常运动的边界元法模型,并在此基础上开发竖轴潮流能水轮机结构受力数值预报方法。利用该方法研究竖轴潮流能水轮机叶片安装位置对水轮机叶片、水轮机转子受力的影响规律。研究表明:安装位置靠近叶片翼型可提升水轮机的获能效率,安装位置靠近翼型中部可使叶片、转子的受力减小。     

水泵水轮机泵工况下内部空化特性分析

为研究空化条件下水泵水轮机泵工况的内部空化特性,基于ANSYS CFX(有限元分析)软件采用k-ε湍流模型、均质多相模型和Rayleigh-Plesset方程,对某抽水蓄能电站模型机进行了全流道非定常空化流动数值计算。根据模拟结果预测了水泵水轮机泵工况工作无空化时的能量特性和空化发生时的空化性能,并与试验数据对比。结果表明:流场数值计算成功地捕获到了空化发生、发展及空间演变过程;随着空化数的变化,空泡在叶片背面进口附近产生,然后沿着流线向叶轮出口扩散,并随着流道过流面积的增大向叶片工作面扩展,直接影响叶片上的压力分布和叶片中间流线上叶片载荷分布;在空化严重时,会造成叶轮流道内流动紊乱和严重堵塞,导致效率的大幅下降,对机组安全稳定运行非常不利。     

长短叶片水轮机转轮气液两相流的数值模拟

为降低水轮机运行过程中的空化现象并提高经济效率,以长短叶片混流式水轮机HLA351 LJ 170原型机为研究对象,采用完整的空化流模型和商用CFD软件FLUENT中的Mixture多相流无滑移模型,在大流量工况下对长短叶片混流式水轮机进行了气液两相流数值模拟。计算结果表明,该工况下长短叶片水轮机转轮流速、压力分布合理,水力性能较好。由此预测了长短叶片水轮机空化发生的部位和程度,对水轮机优化设计或改型等具有重要的指导意义。     

基于滑移网格的垂直轴潮流水轮机的三维数值模拟

为了探究翼型对垂直轴水轮机水力效率的影响,基于叶素理论分析建立了垂直轴潮流水轮机在水槽中的物理模型,采用滑移网格技术在Fluent软件中对模型的流场进行了三维数值模拟。在保持转速一定、更改来流速度即改变叶尖速比的条件下,分析了两种不同NACA翼型直叶片的潮流水轮机内部流场以及水力性能。结果表明,翼型以及叶片安装角对垂直轴潮流水轮机的利用效率影响很大,其流动特性与来流速度、叶片布置形式有重要联系,为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。     

海浪条件下水平轴叶片式潮流能水轮机流动特性的数值模拟

为了研究自由海浪条件下的高潮汐流速对水平轴潮流能水轮机的动态特性影响，基于STAR-CCM+建立了海浪条件下潮流能水轮机水动力特性的数值模拟方法，得到了海浪对潮流能水轮机转动影响规律及转动过程中产生的尾流特征。结果表明，潮流能水轮机角加速度的幅度与频率受海浪影响，但波动幅度小于海浪波动幅度、变化频率高于海浪波动频率；水轮机转动产生的尾流会使下一个水轮机的周围流场更紊乱，对叶片转动的影响、水轮机轴负载和能量利用率等方面会产生影响；压力脉动变化趋势分析认为，尾流对水轮机疲劳损伤并无太大影响。     

竖轴潮流能水轮机组排列规律试验研究

针对竖轴潮流能水轮机阵列的水动力性能,在拖曳水池中开展模型试验研究。研究竖轴潮流能水轮机阵列整体水动力性能模型试验技术,讨论给定转速、流速的情况下双水轮机阵的能效指数。通过改变两个水轮机模型的相对位置,分析水轮机轴间距、轴心连线与来流的偏角对能效指数的影响规律。     

长短叶片混流式水轮机空化特性的数值模拟

鉴于目前削弱水轮机空化和空蚀存在的问题,以某适用于300m水头的混流式水轮机为例,采用CFD技术计算其运行范围内若干工况的内部流动情况,重点分析其空化和空蚀性能,并比较了采用长短叶片转轮和仅采用长叶片转轮的流场分布及其空化特性。结果表明,采用长短叶片结构的水轮机的转轮内部流态较好,流场分布更加合理,空化性能明显优于仅采用长叶片的水轮机。     

多工况条件下变叶片数潮流能水轮机能量及流动特性研究

文章建立了潮流能水轮机水动力性能数值计算模型,通过实验验证了利用该模型预测水轮机尾流的准确性,并利用该模型研究了潮流能水轮机在不同叶片数和不同叶尖速比条件下的能量和流动特性。研究结果表明:该数值计算模型在预测尾流速度亏损和湍流强度方面具有较好的精度,尤其在远尾流区,数值计算结果与实验结果保持一致;当叶尖速比(TSR)为4.5左右时,3叶片和4叶片的潮流能水轮机具有相对较高的获能系数,此结果对于水平轴潮流能水轮机的设计具有一定的指导意义。     

水泵水轮机空化流及转轮轴向受力分析

为研究水泵水轮机在水泵工况运行时的空化特性及转轮所受轴向力的变化情况,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机模型为研究对象,基于Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,在不同流量系数下进行不同空化数的三维数值模拟并与实验对比验证。结果表明:在小流量和设计流量工况下气泡首先出现在吸力面靠近前缘位置并逐步向叶片出口和压力面扩展,而在大流量工况下气泡首先在压力面出现,并扩展至吸力面区域且已远离前缘位置,同时探讨了轴向力随着空化数的变化规律。     

超低比转速混流式水轮机转轮的水力设计与数值模拟

为实现冷却塔富余能量的回收,需要开发出一种新型超低比转速水轮机与风机直接匹配.采用二元理论,从相对导叶高度(H/D)、转轮流道、叶片环量、叶片数等方面进行开发设计.然后基于N-S方程和κ-ε紊流模型采用FLUENT对新型水轮机转轮进行数值模拟,分析研究了转轮的流动、汽蚀和能量性能.数值模拟结果表明:超低比转速水轮机内部流动性能良好,水轮机效率在较大的进口冲角范围内达80％以上.     

三峡电厂水轮机磨蚀机理与适时检修浅析

针对水轮机磨蚀长期无过机水流监测指标及水轮机磨蚀破坏实况,对水机过流的各项物理指标、磨蚀发生的部位以及形态进行了监测,在获得各项物理指标基础上对水轮机的磨蚀机理进行了分析。结果表明,采用现场观察、数值模拟等措施可较为准确地预测水轮机磨蚀破坏的发展趋势,并为水轮机的适时检修提供依据。     

不同工况下水泵水轮机尾水管压力脉动特性与改善措施研究

不稳定水流诱发的压力脉动是引起水力机械振动进而影响水泵水轮机安全运行的重要原因.为研究不同流量下水泵水轮机尾水管涡带形态的演变,分析空化系数对涡带形态的影响,基于FBM湍流模型,针对水泵水轮机五种典型运行工况进行非定常数值模拟,重点比较了不同流量与空化系数对尾水管涡带形态的影响.结果表明,当机组运行在0.5倍和1.1倍设计流量时,空化的影响最为明显.为了缓解尾水管压力脉动,进一步探究了抑涡槽和导流隔板对尾水管内部流态和低频压力脉动的影响.流场分析表明,抑涡槽和导流隔板能有效改善尾水管直锥段内部流态和压力分布,同时使得扩散段内部流动变得更稳定,尾水管涡带引起的压力脉动幅值和水流圆周速度变化整体降低.     

混流式水轮机改造前后内部流动特性对比分析

为探究混流式水轮机改造前后的能量性能、空化性能及水力稳定性,基于流场数值模拟方法,对改造前后的水轮机进行全流道三维定常空化湍流计算及全流道三维非定常湍流计算。结果表明,改造后的水轮机临界空化系数降低13%,效率提高6.2%,且改造后水轮机转轮与活动导叶交界面处4个监测点脉动幅值最大降低17.8%,最小降低7.1%,该水轮机组的抗空化空蚀性能及可靠性均得到极大的提高,对混流式水轮机组的改造有一定的指导作用。     

遗传算法在水平轴洋流机叶片优化设计中的应用

水平轴洋流机是捕获洋流能的主要设备,其叶片外形直接影响捕能效率。通过Bezier参数化曲线描述定速定桨距洋流机的叶片弦长和扭角分布规律,采用叶素-动量理论计算其水动特性。以额定流速下能量利用系数系数最大为目标,基于遗传算法建立了叶片外形优化模型。同时,为了避免因汽蚀导致功率输出不稳定的现象,在优化过程中以汽蚀作为约束条件,与经典设计方法Wilson理论设计叶片进行了比较。结果表明:优化叶片在叶根处的扭角更小,具有更佳的抗扭性能;叶根和叶尖处弦长均更小,节省了材料;在设计流速范围内,优化叶片在低流速下效率更高,平均提高了4.6%,具有更好的启动性能。     

民治水电站混流式水轮机空化特性的试验研究

空化是一种具有较大破坏性的水力学现象,亦是威胁水轮机安全稳定运行的常见因素,以民治水电站混流式水轮机的D568-F17模型水轮机为例,对其进行能量试验,根据能量试验结果,选择合适的工况进行模型空化试验,并根据空化试验结果预期原型水轮机的空化特性。试验结果表明,原型水轮机的最高效率、额定效率和加权平均效率均满足水电站合同文件的相关技术要求;同时额定工况临界空化系数、初生空化系数亦满足水电站合同文件的相关技术要求。     

Numerical research of cavitation on Francis turbine runners

Francis turbines, as other hydraulic turbines, are custom-designed for nominal operating conditions specific to each power plant. However, they may need to be operated at off-design flow conditions because of variable reservoir levels and flowrates. Operating the turbine at off-design points can cause cavitation. Four cavitation types can be observed on Francis turbine runners. These are leading edge, travelling bubble, draft tube swirl and inter-blade vortex cavitation. They may cause erosion, reduction in efficiency, vibration, instability of operation and noise. Runner blades must be designed taking the flow characteristics into account for design conditions to prevent cavitation. Cavitation limits for the off-design points must also be determined. In this study, the runner geometry of an actual hydroelectric power plant that was designed and implemented in 1960s, is redesigned with the help of the state of the art computational fluid dynamics techniques for cavitation free operation. The cavitation limits for the off-design points are also determined.     

大型双吸式离心泵内流场空化特性数值模拟分析

为探究大型双吸式离心泵的内流场空化特性,使用CFD技术的数值计算方法,在设计工况下,选用标准κ-ε湍流模型及基于Rayleigh-Plesset方程的输运空化模型,对某大型双吸式离心泵内流场空化特性进行数值模拟,经后处理得到离心泵在不同有效汽蚀余量时内部流动的压力分布、空泡体积分数分布情况,并结合试验结果进行对比分析。结果表明,利用CFD进行三维湍流数值模拟可有效反映出双吸式离心泵内流场的空化特性,数值模拟结果与试验结果较一致,为通过CFD数值模拟方法研究大型双吸式离心泵空化特性提供了参考。     

水轮机磨蚀破坏的综合治理

该文从枢纽布置和机组设计及制造工艺、运行检修及防护层等多方面论述了水轮机过流部件磨蚀破坏必须有针对性地采取综合治理措施,才能减缓破坏,延长大修周期、提高安全运行的可靠性,并提出了机组在汛期沙峰短时间停运的建议.