混流式水轮机全流道三维流场数值

基于Realizable 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。     

混流式水轮机全流道三维非定常湍

基于大涡模拟动态亚格子湍流模型和三维时均N-S方程,应用非结构网格的滑移网格技术,进行了混流式水轮机全流道动静干扰的三维非定常湍流计算。捕捉到了水轮机各过流部件内的流场随时间的变化情况。计算结果表明水轮机中的水流处于复杂的湍流运动状态,随着时间的推移,水轮机内部湍流运动变化剧烈,得到的计算结果更接近实际流场的分布。     

含泄水孔混流式水轮机间隙流动数值模拟

建立了包括混流式水轮机转轮上冠和顶盖间的空腔、泄水孔以及转轮前密封间隙流道中的水体模型在内的全流道几何模型,通过三维数值模拟,研究了主流道内速度和压力分布以及空腔、泄水孔和密封间隙内的流动特征,揭示了混流式水轮机上部空腔压力与泄漏水量随不同密封间隙尺寸、不同泄水孔直径和数目的变化规律。根据数值模拟结果,最终确定水轮机泄水孔数目为6个,直径为40 mm,间隙宽度为1 mm,该模型额定工况下流量为5 109 m3/h,间隙泄漏水量占机组流量的0.3%,水轮机效率为86.75%,与试验测试结果基本一致,表明所研究的间隙流计算方法可为水轮机泄水孔直径、数目以及密封间隙等细部结构尺寸的权衡确定提供参考依据。     

混流式水轮机叶片进出水边外延方法

在混流式水轮机叶片改型中，为了改变转轮的单位转速、单位流量及出口环量，经常需要延长叶片进出水边。根据延长叶片进出水边的基本原理和混流式水轮机的特点，研究出了一种实用的外延方法，该方法对圆头叶片外延同样实用。同时，对改型后的误差进行了分析。岩滩电站的改型试验取得了预期的效果。     

混流式水轮机叶片进出水边外延方

在混流式水轮机叶片改型中，为了改革转轮的单位转速、单位流量及出口环量，经常需要延长叶片进出水边，根据混流式水轮机的特点，研究出一种实用的外延方法，该方法对圆头叶片外延同样实用，经过大量的实际应用，证明该方法简单、实用、有效，获得了一批优秀成果。     

混流式水轮机全流道三维非定常湍流场的动态大涡模拟

基于大涡模拟动态亚格子湍流模型和三维时均N-S方程,应用非结构网格的滑移网格技术,进行了混流式水轮机全流道动静干扰的三维非定常湍流计算.捕捉到了水轮机各过流部件内的流场随时间的变化情况.计算结果表明水轮机中的水流处于复杂的湍流运动状态,随着时间的推移,水轮机内部湍流运动变化剧烈,得到的计算结果更接近实际流场的分布.     

混流式水轮机叶片设计与木模图的数值实现

针对传统的混流式水轮机转轮叶片设计方法（如保角变换法）设计周期较长，且不易实现叶片模型制作的状况，通过给定速度矩方程对叶型骨线方程进行逐点积分，并由包角的误差分析对速度矩方程的系数进行修正，实现叶片正面型线的设计，在叶片正面计算流面上使用导出的最大流面厚度公式直接进行叶型加厚，得到水轮机叶片的背面叶型．文中同时给出了各部分的数学分析数值计算表达式，并用CAD系统进行叶片木模图的绘形．从得到的木模图可以看出，用该方法设计更为优化，能较好地体现设计要求，并符合实际转轮叶片的形状，确保了计算和造型的准确性，可用来进一步实现水轮机的整体水力性能分析．由于模型是数值生成，故结合相应的机械加工程序，可实现叶片木模的数控加工．     

灯泡混流式水轮机过流通道几何尺

从最佳的水力性能和水流运动规律出发，对灯泡混流式这种新型水轮机的过流通道进行分析研究，优化出了灯泡混流式水轮机过流通道的几何形状及尺寸系列，为这种新型水轮机的产品开发和设计提供了重要资料,同时认为灯泡混流式水轮机的最佳应用水头范围为20～300m。     

混流式水轮机全流道非定常湍流研究

水力振动是引起厂房结构振动的重要因素,而水力振动在混流式水轮机中尤为明显。由于水轮机内部流动的复杂性,单一构件内的流动并不能完整地体现整个流道的流动规律和本质,所以本文基于新疆某水电站厂房及CFD数值模拟技术,建立了能够模拟实际运行工况的全流道三维有限元模型,实现了全流道非定常湍流仿真计算,研究了正常运行工况下全流道的流速及压力分布特征,提取全流道的压力脉动过程并进行频谱分析,得出主要的水力振源为水轮机叶片与导叶间的动静干扰的结论,研究方法和成果可以为相关水电站厂房结构设计提供参考。     

混流式水轮机转轮叶片三维造型的研究

传统的水轮机转轮设计包括流体动力学设计和几何设计,在几何设计中采用二维木模图来表示叶片,无法满足数字化设计与制造的要求.为了解决这一不足之处,介绍了利用CAD和Gambit进行叶片三维造型的方法.在叶片的三维造型完成后,可以实现转轮的三维造型,为转轮内流动CFD分析、性能预测和CAM提供基础.     

Numerical simulation of cavitation turbulence in Francis turbine runner with splitter blades

Cavitation will reduce the turbine performance and even damage the turbine components. To verify the effects of splitter blades on improving the cavitation performance,the cavitation flow inside a Francis turbine runner with splitter blades was numerically simulated by using the Singhal cavitation model and the standard k-εturbulence model. The distributions of static pressure and gas volume fractions on the surface of the runner blades were predicated under different conditions,and the cavitation in the flow field of the runner was analyzed. The results show that the static pressure and gas volume fractions are more uniformly distributed on the short blades than those on the long blades in Francis turbines with splitter blades,and there is almost no cavitation on the short blades; their distributions are more uniform under small flow conditions than those under large flow conditions; and large gas volume fractions are concentrated at the outlet tip near the band on the suction side of the long blade. The installation of splitter blades can improve the cavitation performance of conventional Francis turbines.     

高含沙水流混流式水轮机磨蚀的数值预测与分析

为了研究高含沙水流混流式水轮机的磨蚀规律,应用SST k-ω湍流模型和Tabakoff磨蚀模型对渭河流域魏家堡水电站水轮机内部的多相流动及其磨蚀现象进行了数值模拟,预测了易发生磨蚀的部位并分析了产生磨蚀的原因.通过与电站实际运行后的水轮机磨蚀情况对比,数值模拟结果准确地预测了磨蚀发生的部位和磨蚀程度.数值模拟结果表明:磨蚀主要发生在蜗壳的隔舌、面与面连接的不光滑区域或缝隙等不规则的边界区域以及导叶和叶片的头部端面;壁面附近的流态对磨蚀有重要影响,磨蚀破坏最严重的区域为转轮出口靠近下环的叶片区域,此处的叶片弯曲的曲率较大,形成较高的速度和不稳定流动现象;尾水管中的弯肘段改变了流体的流动方向导致较为严重的磨蚀.研究成果为水轮机磨蚀的预防和抗磨蚀水轮机的优化设计提供了参考.     

水轮机泥沙磨损两相湍流场数值模拟

为研究水轮机内部泥沙磨损的固液两相流动特性,应用基于计算多相流动力学理论中欧拉-欧拉方法的代数滑移混合多相流模型,采用多面体网格技术、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,对混流式水轮机全流道进行了三维定常泥沙磨损两相湍流场的数值模拟.利用商业CFD求解器ANSYS Fluent,获得了小开度工况下水轮机泥沙磨损发生的部位与程度,分析水轮机流道内泥沙磨损的特征规律,其中叶片上泥沙颗粒分布模拟结果与真机转轮实际磨损情况相符,表明该方法可以准确预测水轮机各过流部件的泥沙磨损情况,对揭示泥沙颗粒与水相互作用的固液两相湍流场诱发水轮机振动的影响机理及解决工程实际问题具有重要的意义,而且具有较高的工程应用价值.     

长短叶片结构对凝水泵出口压力脉动特性的影响

为探究不同长短叶片结构下凝水泵出口管道内的压力脉动特征,深化对泵系统内非定常流动机理的理解,在定常数值模拟的基础上,采用非定常数值模拟方法对泵及出口管内的流动进行模拟与分析,研究不同工况下泵出口管内的压力脉动与监测点位置和流量之间的关系,对各叶片结构对应的压力脉动的频域特征和能量特性进行对比研究.研究结果表明：5长5短叶片结构对应的凝水泵外特性优于3长3短叶片结构的;各监测点在4个流量工况下的主频保持为叶频f_BPF及其倍频.3长3短叶片结构较5长5短叶片结构泵出口压力脉动更明显,变化更复杂;泵出口法兰监测点处的压力脉动强度较高,沿流动方向,自监测点P₁至P₃,压力脉动逐渐衰减;对于3长3短叶片结构,在1.4Q_d流量工况下,泵出口管内呈现多频率激发的压力脉动特征,非稳态流动激励加剧.     

基于大涡模拟的水轮机内瞬态湍流场特性分析

基于三维瞬态N-S方程,采用大涡模拟方法中的Smargorinsky模型,应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术,以标准k-ε模型稳态计算的结果作为初始条件,对某混流式水轮机全流道进行了的三维瞬态湍流数值模拟.用Fluent 6.3,采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法,成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程,如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落.模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程.计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程,该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考.     

不同雷诺数下混流式水轮机密封间隙通道内流动特征分析

针对水轮机密封间隙流道空间尺度相差较大,为实现对间隙流道的整体精确计算,文中采用分步投影法,求解间隙流道内不可压缩的Navier-Stokes方程.为更好地捕捉到间隙通道内的涡结构特征,对梳齿密封间隙采用六面体网格划分,在壁面边界处进行网格加密.扩散项采用二阶中心差分格式,对流项采用Quick迎风差分格式.通过数值求解得到不同流动雷诺数下间隙流道内速度、压力及涡量的分布规律,同时得到顶盖压力、间隙流道产生的轴向推力和转轴力矩.计算结果表明：流体从间隙进入梳齿空腔后,形成典型的旋涡耗能结构而耗散部分动能,对降压节流起到主要作用,同时,雷诺数对腔体内的旋涡形态影响较大.计算结果有助于理解不同流动雷诺数下水轮机密封间隙渗漏流道内复杂流动的真实物理机理以及密封间隙对轴系结构动力学特性的影响.     

混流式模型水轮机空化流动分析与试验研究

采用基于气泡动力学的两相流方法,对白鹤滩水电站百万千瓦级混流式模型水轮机进行定常、非定常空化流动分析,并与模型水轮机的空化试验结果进行比较.定常空化流动计算中采取降低尾水管出口绝对压力、减小装置空化系数的方式模拟模型水轮机空化试验过程,流道内压力、速度矢量、气体体积分布分析能够较好地预测水轮机流道内空化的发展特性、叶片空穴区域和尾水涡带空腔的发展过程.非定常空化流动分析能够准确地预测叶片空化和涡带空腔随时间的变化规律以及尾水压力脉动频率,其计算出的振动频率和振幅与试验结果比较相一致,结果显示尾水管空腔涡带随空化发展对压力脉动和机组不稳定运行的影响显著增大,压力脉动也对空化较为敏感,空化越为严重,压力脉动越严重,空化的产生加剧了水轮机内部流场的水力不稳定性.     

卧轴双转轮混流式水轮机的优化设计

采用CFD计算分析了国外某电站的卧轴双转轮混流式水轮机组效率较低、空化性能较差的原因：主要是流道复杂,水流不畅,导致水力损失较大.由于不允许对流道进行调整,因而只能对转轮部分进行优化研究.转轮优化从3个方面进行：采用不同的叶片翼型、调整转轮上冠线的曲度和左右转轮叶片位置.基于N-S方程和Spalart-Allmaras湍流模型,采用SIMPLIC算法,对优化后水轮机的全流道进行了三维定常湍流计算,获得了各过流部件的流动细节,预估了水轮机的性能.计算结果表明：采用Ⅲ型叶片转轮、B形上冠线,并且当左右2个转轮叶片位置不同这一方案时,水轮机过流量增大到28.55 m3/s,左转轮效率达92.24%,右转轮效率达91.78%.同时分析了计算转轮上的绝对压力值,得到了分别采用Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型叶片转轮的空化情况,结果表明：Ⅲ型叶片转轮的空化性能最好.