混流式水轮机内部空化流动数值模拟

为探究不同比例的长短叶片对混流式水轮机内部流场空化特性的影响,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,采用RNG k~ε湍流模型以及三维时均N-S方程,对各混流式水轮机进行全流道三维定常空化湍流计算,获得了3种不同比例长短叶片对应的混流式水轮机在各空化系数下空泡相的流动特征以及各水轮机对应的σ~η曲线图。计算结果表明,当长短叶片比例为0.47时,水轮机临界空化系数最小,为0.060 8,相比长短叶片比例为0.6时降低了8.82%;当3种水轮机处于同一空化系数下时,该型水轮机效率最高;随着水轮机转轮短叶片的增多,水轮机的空化性能及能量性能得到了明显的提升。研究结果对长短叶片混流式水轮机的设计、优化和改型等具有一定的指导意义。     

超低比转速混流式水轮机不同叶片转轮分析

根据设计参数设计了冷却塔低比转速混流式水轮机。依照水力设计尺寸绘制图纸,利用三维画图软件Pro/EN-GINEER建立三维模型。基于Realizable湍流模型和时均N-S方程,对设计工况下混流式水轮机拥有不同转轮形式但蜗壳、导水机构和尾水管均不更换情况进行了数值模拟。获得了转轮内速度场、压力场的分布情况,并通过计算求得效率,对比分析了水轮机三种转轮全流道的流场分布,发现短叶片转轮在叶片背面靠近出口位置有小部分回流现象,靠近下环地方低压区域要比其他两种转轮的大,而当这个区域的压强减小到一定值时,容易发生空化空蚀。得出在合理的范围内适当增加叶片长度有利于能量的利用,并且使水轮机转轮流速、压力分布更合理,水力性能更好。     

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。     

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。     

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。     

混流式水轮机压力脉动特性研究

为探究不同长短叶片比例对混流式水轮机压力脉动特性的影响,基于流场数值模拟的计算方法,对不同长短叶片比例的混流式水轮机进行全流道三维非定常湍流计算。计算结果表明,混流式水轮机内部的压力脉动主要由转轮和导叶的动静干扰以及尾水管的低频压力脉动所致;当短叶片出口离转轮旋转轴最近点处与长叶片直径之比为0.6时,混流式水轮机效率最高,为92.66%,且该混流式水轮机各过流部件对应的压力脉动幅值以及振动幅值也最小,水力稳定性最好。对研究背景、计算方法与步骤,以及计算结果的分析等情况均作了较为详细的介绍。     

长短叶片转轮对低比速混流式机组的性能改善研究

基于计算流体动力学分析理论,对含有常规转轮和长短叶片转轮的混流式水轮机开展全流道数值分析,研究高水头下低比转速混流式水轮机转轮在不同工况下的流动现象,探明转轮加装短叶片对混流式水轮机内部流动状态的影响。在最优工况下,通过对比计算所得的两种转轮内部的流速和压力分布发现:加装短叶片以后转轮叶片吸力面进口附近的涡流得到明显抑制,长叶片的压力负荷得到减弱;增加短叶片后,转轮出口环量减小较为明显,对尾水管流态改善、转轮及机组的能量特性提高有重要作用。研究结果表明,在相同的单位参数下,相比常规叶片转轮,长短叶片转轮改善了转轮进口的入流条件,从而提升了机组的运行稳定性和能量特性,可作为高水头转轮设计的主要方向。     

混流式水轮机全流道三维定常湍流数值计算

基于标准k-ε双方程湍流模型和三维时均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.捕捉到了水轮机各过流部件内的流场和尾水管内的涡旋结构等流动信息.结果表明,水轮机的全流道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.     

基于全流道的混流式水轮机内部流动的三维数值模拟

采用三维N-S方程和RNG湍流模型,利用FLUENT6.3软件,并将混流式水轮机全流道作为一整体,对混流式水轮机内部流动进行了三维定常湍流计算,得到了水轮机各过流部件内的流动特性.该数值计算方法和结果对水轮机的水力优化设计具有重要意义.     

应用空间导叶的混流式水轮机三维湍流计算和试验分析

应用二维湍流计算方法和试验手段，对采用了新型三维导叶的混流式模型水轮机进行了研究。数值计算中，采用了全三维全流道的湍流计算方法，基于标准κ-ε湍流模型和SIMPLEC数值方法，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计算，得到速度场和压力场的分布，分析了不同导叶形式对水轮机流动的影响。通过试验分析了模型水轮机的能量特性和压力脉动情况。     

重力场对灯泡贯流式水轮机流场分析及水力性能评估的影响

本文采用黏性三维湍流流动分析法,通过Fluent软件分析了重力场对灯泡贯流式水轮机流场分析和水力性能预估的影响。计算中考虑了在不同的水头与转轮直径比的情况下,重力场的影响程度。计算结果表明：考虑重力后,水轮机进口断面的平均速度、流量和功率都比不考虑重力时大,但效率相差不大。由于重力作用在竖直于机组轴线方向上的压力分布不均匀,叶片上作用有交变应力。当水头与转轮直径的比值超过5时,重力的影响可以忽略。     

运西水电站竖井贯流式水轮机性能优化

采用雷诺时均方程(RANS),选择S-A湍流模型,运用SIMPLEC算法,利用CFD数值模拟技术,数值模拟了不同方案的运西水电站水轮机流道内流场,分析了转轮直径、叶片翼型、叶片个数、叶片安放角、转轮轮毂、转轮转速、导叶翼型、导叶轴线与机组中心线夹角、导叶个数、叶片及导叶安装位置、导叶开度对水轮机性能的影响,叶片数为3时水轮机装置性能较优,机组最高效率点分别在转速为187.5r/min、导叶个数为15时出现。对原有流道可改变部件做适当优化后,将优化后的转轮应用于电站进行数值计算,根据全流道的数值模拟结果,预测电站改造后机组的水力性能。根据数值计算的结果制作模型水轮机和真机进行模型试验和真机测试。结果表明,数值模拟结果与模型实验以及现场运行结果曲线的变化趋势一致,数值模拟结果基本能够准确反映电站的外特性和内部流场特征。     

基于MATLAB-UG的混流式水轮机叶片三维建模

针对冷却塔专用混流式水轮机流道狭长、叶片空间几何形状复杂,三维建模难度较大的问题,结合某冷却塔专用超低比转速水轮机设计工程案例,以转轮二元设计理论(ωu=0)为基础,利用MATLAB软件计算出转轮叶片的骨线,并对翼型骨线进行展开加厚,最后借助于UG软件的三维建模功能,生成光滑的三维叶片模型。结果表明,采用该方法进行转轮叶片的三维建模,所生成的叶片光顺、无褶皱,能够精确地反映出叶片的空间流性,提高了转轮叶片的生成效率和精度,可为后续开展水轮机的CFD分析和性能优化提供有力的支撑。     

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。     

基于转轮换型的水轮机增容改造及数值模拟

从青海铁吾电站HL160-WJ-84水轮机运行中的实际问题出发,在明确了水轮机改造的方向和目标后,对新旧型谱系列模型转轮的性能进行了对比分析。基于对比结果,初选出了D06A转轮用于技术改造试验。对改造前后的水轮机全流道进行三维湍流数值计算,给出了水轮机改造前后的水动力学特性差异。同时,对改造前后的水轮机蜗壳、转轮叶片的流态分布状况进行了分析比较,对改造后的水轮机整体水力性能进行预估。分析认为,对于小型卧式HL160机组而言,更换转轮后还需对上冠泄水孔实施改造,以防止对流场造成扰动,降低机组的效率。     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。