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水轮机转轮流场计算及性能预测

周凌九  
【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 少实验和模型加工等费用。 本文在比较修正的RNG k-ε模型及现实的k-ε模型在计算混流式转 轮时的特征的基础上,采用现实的k-ε模型,通过SIMPLEC方法,利 用有限体离散不可压N-S方程,计算了混流式水轮机在不同工况下 稳定流场;通过计算结果全面预测了包括偏工况的不同工况下的能 量特性,汽蚀特性等;并与实测数据进行了比较,深入分析了误差 来源,分析了计算方法的可靠性;在此基础上,进一步全面分析了 不同工况时的内部流动特征,对照实验所得的转轮外特性进行深入 分析,明确了特定的内部流态与特定的外部特性间的关系,为转轮 性能预测提供了更多的参考信息;同时分析了一些主要特征参数对 转轮外特性的影响,为转轮的优化设计提供了明确的指导。 另一方面,随着技术的发展,人们对水力机械的运行稳定性和振 动问题日益重视,这使水力机械内部不稳定流场计算十分必要。转 轮导叶间的流动互扰(RSI)引起的不稳定流就是问题之一。为此作 者选择研究水泵水轮机内由于RSI现象引起的不稳定流场的特征。 摘 要 首先,应用先进的“滑移网格技术”(sliding mesh)首次计算了包 含涡壳、固定导叶、活动导叶及叶轮在内过流通道内的不稳定流场, 以 填补了国内在这个研究领域的空白,为转轮性能预估增添了新的内 容:对不稳定流场的结果进行FFT 变换,获得压力记录点的压力脉 动频率,计算结果与实测结果吻合很好,计算成果表明,此项研究 已达世界先进水平;进一步通过不同模型不稳定流场计算考察了叶 片数对频率特征的影响,分析和探讨了出现一些有特征的中频信号 产生的原因;还通过计算考察了间距、固定导叶位置,活动导叶位 置及涡壳的对转轮内不稳定流场(尤其是频率特性)的影响,使我 们对 RS 现象有更深的认识。同时,本文方法也为求解水力机械其 他过流部件内的不稳定流场计算提供了有益的参考。


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