基于两相流的水轮机引水、导水部件内流特性研究

【摘要】：近年来,随着计算流体力学和计算技术的发展,一些三维粘性计算流体动力学软件已成功地应用于水轮机内部的流动特性分析。由于蜗壳内部流动十分复杂,目前对不同工况条件下的流动特性了解得还是很少,而对于导水机构内部流场分析虽说有了一定的进展,但对于含泥沙的两相流体的流场分析计算仍然欠缺,对整个水轮机引水、导水部件的耦合两相流场进行综合分析及数值模拟的就更加少见。因此迫切需要对水轮机引水、导水部件的内部两相流动进行深入的研究,分析水轮机引水、导水部件内流场的两相流流动机理,进而探讨运行于两相流体(含沙水流)环境下的水轮机引水、导水部件性能及水力损失,得出相应的优化措施,为水轮机水力设计提供参考。 蜗壳、固定导叶和活动导叶组成的引水、导水部件的水力设计对水轮机性能有着举足轻重的作用。三个部件之间互相联系、相互影响。在含沙水流中沙粒对引水、导水部件的磨损也和其中的流态有密切关系。由于两相流工况下水轮机引水、导水部件的设计理论不是十分完善,在工程设计中多数的设计是建立在经验基础之上,利用清水设计理论并加以修正来设计,以至于设计出的水轮机在实际含沙河流上运行时性能得不到保证。为了开辟研究水轮机引水、导水部件内部两相流动的新方法,本文把蜗壳、固定导叶和活动导叶作为耦合整体联系起来考虑,基于N-S方程,对其内部流动进行了数值计算,对输送清水介质时采用标准κ-∈湍流模型,对输送含有固体颗粒的含沙两相介质时采用,κ-∈-Ap模型,采用笛卡儿坐标、混合四面体非结构网格和SIMPLE算法进行计算。得出了一些结论并提出了一些建议,可作为水轮机优化设计的参考和依据。主要研究成果如下: 1.对固液两相湍流基本理论和数值求解方法进行了较为系统的总结和阐述。 2.以刘家峡水电站2号水轮机的设计参数为依据,进行三维实体建模。通过对水轮机引水、导水部件内部流动的模拟计算,得出了输送清水介质与含沙两相介质时引水导水部件内部流动不同的规律;分析了水轮机引水、导水部件内部流场的两相流流动机理,探讨了运行于两相流体(含沙水流)环境下的水轮机引水、导水部件的性能及水力损失。 3.通过模拟含沙两相介质时的颗粒对引水、导水部件的磨蚀、空蚀,得出了颗粒对水轮机引水、导水部件的磨蚀、空蚀规律,并和相关资料进行比较,模拟结果和电站提供的相关资料规律基本吻合,证明了用Fluent进行模拟的可行性。 4.通过对Flunent软件的分析和使用,找出了模拟计算的不足之处,并进行了相应发展展望。