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涡流发生器对改善水轮机整体性能的实例研究

洪树立  
【摘要】:水轮机是一种水利设备,其作用是把水的能量转化为驱动力对发电设备进行驱动,在贯流式水轮机中常设有尾水管,尾水管除了引导水流流向下游之外还有一个重要的作用是回收转轮出口处的能量,而尾水管中往往存在着一些问题,为了改善这些问题,本文提出一种用涡流发生器改善其性能的方法,通过对尾水管流场的改善,提高水轮机的工作效率,从而形成对能量的高利用率,具体从以下几方面展开: 第一章,阐述了该课题的研究背景和意义,介绍了水轮机和尾水管的具体功能,提出了水轮机尾水管中存在压力脉动等诸多问题,并且列举了目前常用的改善尾水管性能的方法,对比了各种方法的优缺点。同时也介绍了涡流发生器的种类,描述了各种涡流发生器的结构和特点,并概述了每种涡流发生器的适用领域。 第二章,首先介绍了网格的一些基本概念,包括网格单元,网格尺寸,网格变形。然后提出了网格生成中存在的一些要求,具体为网格几何形状的一致性要求,网格与求解结果的一致性要求,网格与数值解法的兼容性要求。最后介绍了网格的分类,并对本文采用的网格生成软件Gridgen进行了介绍,同时也说明了PLOT3D格式的文件。 第三章,对本文研究的水轮机的结构做了介绍,并且分别对水轮机的不同部件进行网格生成,同时提出一种基于Fortran77和Gridgen并用的方法对网格进行优化,最后对安装有不同方案的涡流发生器后的尾水管网格生成做了介绍。 第四章,首先对CFD计算流体力学的三个组成做了介绍,包括前处理,求解和后处理。接着叙述了湍流的概念,提出了目前湍流的计算方法和常用的湍流计算模型,并且提出本文选取的SST湍流模型,它结合了k-ε模型和k-ω模型的优点。接着介绍了壁面函数的概念和本文选用的壁面函数,同时说明了水轮机不同部件之间网格连接所采用的复合面,主要包括周期性复合界面,一般连接面和级平均法连接面,最后提出了本文的收敛标准与工作参数。 第五章,阐述了水轮机工作效率的计算方法,获得了本文研究的水轮机的工作曲线和尾水管压力恢复系数曲线,得到了水轮机的实际工作点。接着从定性分析和定量分析指出了水轮机尾水管中存在的不足,并且也通过定性和定量对十二种不同的改进方法进行了分析,最终得到了最佳的优化方案。同时以一种特殊工况为例,计算了涡流发生器对于水轮机在非最优工况下的结果,得到了涡流发生器对于改善水轮机性能的现实意义。 第六章,对本文所做工作进行了总结,指出了其中的三个创新点和一些不足之处,同时对于这些不足之处的解决方法进行了思考。


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