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双向贯流式水轮机数值模拟研究

耿在明  
【摘要】:水力机械内部流场的准确模拟将使人们很好的预测各过流部件(尤其是转轮)的综合特性,它节省开支、省时省力。因此,流场计算成为研制性能优良的转轮的一个重要手段。长期以来,人们一直在寻找有效和高精度的计算方法,使其能较准确地预测机组在较大的运行范围内能量特性、汽蚀性能及稳定性,从而最大限度地减少试验和模型加工等费用。 本文论述了水力机械数值模拟有关的若干理论问题,采用时均N-S方程,配合标准k-ε紊流模型对模型双向贯流式水轮机的不同叶片角度和导叶开度下不同工况进行三维定常的计算。计算中采用了结构化网格划分,水轮机进口边界条件为速度进口,出口为自由出流,静止坐标系和转动坐标系之间的面采用动静干涉的滑动网格模型技术,用壁面函数法处理近壁面的流动,压力与速度的耦合采用收敛性能较好的SIMPLEC算法。 通过计算得到水轮机正反向的效率值,正向效率最高值为75.8%,反向最高效率值为66.6%。计算值和试验值趋势一致,但计算值比试验值低,正向计算平均误差为7.5%,反向平均误差为2.5%,并且分析了产生误差的原因。在此基础上,进一步研究正反向水轮机的内部流动特征,给出了内部流态,过小叶片角度叶片流速和压力分布不均,而过大叶片角度脱流和撞击严重,水轮机的损失都会不同程度增加。最后利用数值模拟结果,计算正反方向不同工况主要过流部件水力损失:贯流式水轮机转轮和尾水管中损失的水力损失较高,正向转轮段的损失在15%左右,反向转轮段损失在21%左右,正反向尾水管损失在12%左右,反向偏离最优工况大流量时因为转轮出口动能增加,并且尾水管动能恢复系数较低,尾水管出口动能损失增加明显,尾水管损失达到19%。


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