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冲击式水轮机内部流动数值模拟及性能研究

刘洁  
【摘要】:冲击式水轮机试验表明:真机效率均低于模型效率,这种反常的趋势容易引起从模型试验结果预测真机性能的风险性。因此迄今为止,IEC 模型试验规范并不考虑冲击式水轮机中的比尺效应对模型和真机之间的性能换算的影响,其主要原因是对冲击式水轮机复杂的内部流动机理缺乏深入了解。而且,冲击式水轮机流动存在着复杂的比尺效应,尤其是由射流衰减和射流干涉带来的负比尺效应为流动研究带来了复杂性。因此,本文致力于在试验和数值计算方面对冲击式水轮机各种内部流动细节及其能量转化性能的研究,以探讨冲击式水轮机流动的比尺效应和性能换算特征。 本文在首先介绍了冲击式水轮机内部流动中管内流、自由射流以及水斗绕流等方面的研究现状和进展。在分析转轮的基本性能、各效率与水轮机效率之间的关系基础上,探讨了冲击式水轮机内部流动比尺效应的产生根源、作用机理,尤其是负比尺效应与射流干涉和性能偏移之间的关系,并提出了新的性能换算法则思想。 冲击式水轮机内部流动包括了定常、单相的管内流和3 维非定常气液二相流动。喷嘴管的水力形状和自由射流的能量质量直接关系到水轮机的整体性能,为了探明其中的流动特征和能量特性,本文通过对喷嘴管流场的数值解析,分析了支持筋板对管内流以及喷嘴出口流动的影响; 通过对自由射流的数值计算,详细分析了不同开度下喷嘴出口的流动特征、半自由射流的成因和能量特性,以及自由射流的缩流位置、直径和能量,并预测了自由射流膨胀率。 随着冲击式转轮旋转,水斗不断切入从喷嘴射出的圆柱形断面射流,因此水斗的入射参数(流量、落点、入射角、切入速度等)也随着转轮的旋转发生变化。本文采用了动画解析法将非定常流动按照时间顺序,离散成动画单元,对每个单元通过拉格朗日法对流体质点的加速度积分,求得了各个动画单元水斗内非定常自由流动的流速等分布状态,并按照一定的速度将其连续成动态影像来模拟水斗非定常流动。本文在进一步完善非定常水斗内部流动数值计算动画解析法的基础上,对水斗内部流动进行了模拟,并对不同型式的水斗流动和性能进行预测和评价。 由于冲击式水轮机的负比尺效应源于自自由射流本身的能量衰减以及水斗缺口出流流量的增加,本文从自由射流的能量衰减出发来探讨水轮机能量转化的特征和机理,首先引入描述射流衰减特征参数-自由射流膨胀率,并利用图像分析的方法对其进行了试验测量。通过数值计算分析分析射流膨胀率对水斗内部流动特征、能量转化


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