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冲击式水轮机喷嘴系统流—固耦合计算与分析

冯凌寒  
【摘要】: 冲击式水轮机具有结构简单、使用水头高、安装高程不受空蚀条件限制、适应流量变幅较大的电站等优点,在河川上游、山区等水头高、流量小的地区应用非常普遍,是目前我国水利资源开发的主要机型之一,高水头、大容量、多喷嘴的冲击式是冲击式水轮机研究的主要方向,但随着容量的增加,喷嘴数的增多,冲击式水轮机内部流动、射流干涉、流固耦合问题等的研究就显得越来越重要。本论文在总结有关资料的基础上,对冲击式水轮机性能方面的影响因素、结构要求以及流动特点和未来展望进行了综述,特别是对多喷嘴结构的流场和结构场进行了详细分析,对喷嘴进行流固耦合计算,对冲击式水轮机的发展提供一些有价值的参考。 射流的稳定性是影响冲击式水轮机效率和出力以及振动的一个非常重要的因素。射流不稳定,将会引起机组的振动和噪音,加速水斗的空蚀和疲劳裂纹的产生,严重的还会造成断斗等重大事故。因此,对冲击式水轮机喷管内喷嘴与喷针之间的流动情况进行流一固耦合汁算,分析其流场与结构场的相互影响,研究其射流的稳定性提出喷管、喷嘴等流道形状的优秀方案,对保证冲击式水轮机稳定运行具有着重大意义。 在ANSYS公司提出的协同仿真环境ansys11.0 Workbench中,利用CFX技术软件对冲击式水轮机的喷嘴与喷针流道进行了三维建模、网格划分以及数值模拟和计算,分别得到了五种喷嘴和喷针结构模型的流场速度与压力分布关系以及流动损失情况,通过计算分析,指出了原传统方案的不足,最终优化出较优的喷嘴喷针几何流道形状,为喷嘴及喷针的结构设计提供了可靠依据。 同时,论文还利用ansys11.0 workbench中的Simulalion组件进行了结构静力学、模态以及流固耦合原理的分析,实现了水爪力对喷嘴内壁的准确施加,分析得出了流场对结构场的影响,进行了单向流固耦合汁算,得到了喷嘴的应力分布以及最高应力值点,提出喷管喷嘴等形状的改进措施,为喷嘴的结构设计强度计算提供了依据,同时还计算了喷嘴的自振频率和耦合频率,得到准确的频率值及振形,从而得出:水压力和应力对喷嘴的综合作用,与空气中相比对喷嘴的频率和摸念有一定程度的影响,但在低频率区影响并不明显的重要结论。这些研究成果,对保证冲击式水轮机稳定运行具有重大意义。


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