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水力机械内部复杂流动的数值研究与性能预测

郭鹏程  
【摘要】:现代水力机械向着高参数、高性能和高可靠性方向发展,一个稳定高效的流场是确保水力机械具有高性能和使其达到高可靠性的重要保证。而水力机械内部流动十分复杂,由水力机械内部湍流脉动诱发的水力稳定性问题是决定其运行稳定性的最主要因素。本文以水力机械内部流动为研究对象,对一单级单吸离心泵和一混流式水轮机内部流动进行了详细的数值研究。主要完成了以下几方面的工作: 对流动求解过程中控制方程组的离散方法,耦合计算中的加速收敛技术,非定常流动数值模拟中动静耦合区域周期性边界条件,动静滑移界面网格处理方法和动静干涉面上的信息传递方法等进行了研究。并分别采用了UDS和SUDS对流项离散格式和RSM、标准k-ε、RNG k-ε和k-ω SST四种湍流模型对水力机械内部流动进行数值计算,以确定适合于模拟本文流动问题的湍流模型和对流项差分格式。 采用数值模拟方法分析了不同工况下离心泵内叶轮与蜗壳耦合的非定常流动,结果表明由于叶轮与蜗壳的干扰,蜗壳进口周向流动的不均匀性是非常强烈的,特别是叶轮与蜗舌间的相互干扰最为强烈,一直影响到叶轮进口和蜗壳扩散管出口的流场,也是离心泵运行中部件振动和产生噪声的主要原因;非设计工况下具有螺旋型压水室的离心泵叶轮出口周向静压分布不均匀产生径向力,在小流量工况下静压沿周向随包角的增加而增大,到扩散段进口处达到最大,而大流量工况下静压沿周向随包角的增加而减小;在蜗壳内整个流动是以旋涡形式向出口推进的,并随包角的变化旋涡表现出复杂的产生、发展和耗散的演化过程,导致蜗壳内较大的流动损失;离心泵的瞬时扬程随叶轮与蜗壳相对位置的不同而表现出较大的变幅,且瞬时扬程的变幅随着流量的减小而减小。 开展了离心泵叶轮与蜗壳径向间隙变化对离心泵性能影响的数值研究。对于不同外径的叶轮,随叶轮外径的减小,最高效率点向小流量方向移动;径向间隙的大小与压力脉动量不呈线性关系,应该存在一个最优的径向间隙,在扬程下降不大的情况下,可显著改善压力脉动。 进行了不同型式蜗舌对离心泵性能影响的数值研究。对于三种不同型式的蜗舌,蜗舌型式及相对位置对离心泵的性能和运行稳定性有较大影响。由深舌改为中舌时可使离心泵


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