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冲击式水轮机射流对旋转水斗非定常入流研究

李龙祥  
【摘要】: 目前,数值模拟技术在冲击式水轮机研究中得到一定范围的应用,这也推动了冲击式水轮机设计技术的发展。冲击式水轮机内部的流动是高度不稳定的非定常流动,随着计算机软硬件和数值模拟技术的发展,借助数值模拟技术在冲击式水轮机中的应用,解析其内部流动机理,对指导冲击式水轮机的设计和研究具有十分重要的意义。 冲击式水轮机的内部流动包括三部分:进水管道内的单相流动、从喷嘴射出自由射流和在水斗内表面的非定常自由水膜流。本文首先介绍了流动数值模拟软件的基本结构、坐标系和坐标转换、水斗曲面三维非正交贴体网格数值生成和三维自由曲面上网格点的自然基本矢量的计算,为研究冲击式水轮机射流对旋转水斗非定常入流奠定了基础。 三维自由射流网格离散化的好坏,直接影响了数值解析结果的优劣。本文详细描述三维自由射流蝴蝶结型网格的离散化、计算了射流网格单元的流量dQ、自由射流在当前水斗上的落点Ppre和在相应落点处的相对速度W。在此基础上,求得到了被当前水斗的切口所切射流的非定常边界。 在冲击式水轮机的设计或者改进中,自由射流的形状是重要信息,它包含了三个重要参数:缩流位置X0、缩流半径R0以及射流半径膨胀率kRj。这些参数直接影响了射流对旋转水斗非定常入流和被旋转水斗所切的具有一定膨胀率的自由射流后缘的相对轨迹。鉴于动画解析法在非定常射流相对轨迹中的诸多优点,并以此为基础,解析了非定常射流相对分水刃尖端的一维相对轨迹、三维非定常射流相对当前水斗切口的三维相对轨迹、射流的非定常后缘TES追击当前水斗的现象。在此基础上,得到了最后完整射流射进当前水斗的时刻iF _lastFull和最后一滴水射入当前水斗的时刻iF _last0,并利用动画解析法求得了流进当前水斗的三维非定常射流。 由于冲击式水轮机三维自由射流是两相流,进行瞬态计算的时间步长必须非常小,这就需要大量的计算资源。为了节省计算资源,加快计算速度,本研究在保证结果正确可信的前提下对计算的模型、网格和边界条件等多方面进行探讨,力求找出最佳的方案,提高数值模拟的效率。 最后,文章总结了在冲击式水轮机射流对旋转水斗非定常入流研究中取得的成果与不足,对今后研究工作提出展望。


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