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污水处理厂尾水发电站水轮机全流场的CFD分析

李黎  
【摘要】: 水电是可再生的清洁能源,是中国能源结构的重要组成部分。近年来,我国经济快速发展,随着工业、农业的发展提速以及城市基础设施建设步伐的加快,社会电力需求紧张的矛盾开始凸现。同时随着水力资源的开发,可利用的高水头资源己经越来越少,所以低水头水电开发逐渐引起各方面的广泛关注。在这种情况下,我国第一个污水水处理厂尾水发电站于2009年9月在重庆正式发电运行。该项目综合考虑了社会经济发展的需求、能源的节约、水环境的保护与开发利用,符合国家有关节能减排、发展循环经济的相关政策。作为循环经济示范工程,为同行业开展循环经济研究提供参考,具有较大的借鉴意义。 水轮机作为水电站的核心部件,对水电站的运行起着决定性的作用,水轮机技术的研究一直伴随着水电的开发在不断地发展。但是,国内外的不少水电站也因一些尚未解决的技术问题导致机组出现异常甚至过流部件的损坏,因此,还是存在着困扰水轮机安全高效稳定运行的一些技术难题筮待解决。另外,随着机组容量和尺寸的逐步增大,水轮机比转速不断提高,人们对于混流式水轮机的运行稳定性日益重视,这使得进行水轮机内部流场的模拟解析十分必要。总之,开展水轮机过流部件内部的定常及非定常流动分析对于深入了解水轮机振动的内在机理、改善水轮机的综合水力性能、提高水轮发电机组的运行稳定性具有十分重要的意义。 本文以该污水处理厂尾水发电站的水轮机为参考,建立了该水轮机的全流道几何模型,并应用CFD软件对其内部流动进行了数值模拟,通过计算结果对水轮机内部流动情况及性能进行了分析。 本研究具体完成的工作内容如下: 一、根据所选水电站的实际水力参数,用Unigraphics软件建立了该电站的蜗壳、导叶、尾水管等水轮机过流部件的三维几何模型,并将建好的水轮机的三维模型导入gambit软件中,对过流部件进行网格划分。 二、研究了利用Fluent软件对水轮机各主要部件的边界设定、参数选择、求解计算等一系列软件应用的关键步骤。将已经做好的网格文件导入软件后设置边界条件并进行计算。 三、采用数值模拟方法分析该混流式水轮机在清水介质中分别在大流量、最优工况、小流量工况下全流道三维定常湍流动,建立了基于CFD分析的混流式水轮机性能预测方法。 四、对求解收敛的结果进行后处理,得到了各个计算流体区域的速度矢量分布、压力等值线分布、湍流强度等值线分布,分析流体流动状态、速度分布和压力变化。通过对比和分析水轮机内部流动特征,获取水轮机各过流部件的流动信息,在定量和定性两个方面评价水轮机的性能。


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