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基于计算流体动力学的水轮机及水电站尾水系统数值研究

肖惠民  
【摘要】:随着计算流体动力学(CFD)的进步和计算机硬件性能的不断提高,三维紊流的数值模拟越来越精确,在水电站的设计、优化中已得到了广泛应用,数值模拟技术已经成为水电站开发、设计及优化的有力工具。 水电站水力发电系统主要包括引水系统、发电系统和尾水系统等系统。随着单机容量、电站装机容量的不断增大,水力发电系统的高效性、稳定性日益受到重视,而要保证机组的高效、稳定运行,各系统内部流动就必须要有良好的流态及尽可能小的水力损失。而通过数值模拟,可获得各系统内部稳态、非稳态的流速、压力分布,从而可实现系统的优化设计,并为机组的高效、稳定运行提供可靠的依据。 作为水电站关键设备之一的水轮机,对每个电站都需根据具体条件和要求进行设计制造,以确保良好的能量特性、空化特性和稳定性。而这需要在水轮机水力设计时做精心研究。近几年,水轮机数值模拟的一个突出进步是对水轮机所有过流部件的整体解析及转动部件(转轮)和非转动部件(导叶、尾水管)的耦合流动计算。整体解析是指对水轮机的整体(包括多个过流部件)进行流动计算。水轮机由蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管等多个过流部件组成,这些部件在力学上具有很强的相互依赖关系。因此,不管是模型试验,还是数值模拟都应建立在对水轮机所有过流部件的整体模拟基础上,以获得真实、准确的数据。耦合计算是考虑了转动部件和非转动部件的动静干涉。与水轮机单部件的流动模拟相比,水轮机所有过流部件的整体耦合计算的边界条件更容易给定,在动静部件间不会产生不准确的边界条件,只需指定进口和出口的边界条件即可,计算结果与实际情况更接近,因而能更准确地预测水轮机的特性,为水轮机的优化设计提供更坚实的基础。 本文针对水布垭混流式模型和原型水轮机进行了三维定常计算。三维定常紊流计算采用多部件、动静耦合的计算方法,计算中针对模型和原型水轮机分别采用了两种物理模型,相应的流动计算分别称为“水轮机整体计算”和“水电站全流道计算”。水轮机整体计算的计算区域从蜗壳进口到尾水管出口,包括了蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管等过流部件;水电站全流道计算的计算区域从压力引水管道进水口到尾水渠(管)出口,包含的过流部件与实际水电站的输水系统完全一样。与水轮机单部件计算和水轮机整体计算相比,水电站全流道计算是与电站实际运行情况最接近的一种计算方式,因而能获得原型水轮机更准确的流动、能量特性。本文根据水轮机整体计算和水电站全流道计算的数值计算结果预测了模型和原型水轮机的效率,预测结果与模型能量试


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