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基于弱耦合的轴流式水轮机三维数值模拟

邵伟强  
【摘要】: 通过对轴流转桨式水轮机过流部件内部的流动分析,深入研究了水轮机结构和流场之间的内在联系,对改善水轮机的综合水力性能和设计水平、提高水轮发电机组的运行稳定性具有十分重要的意义。 本文运用CFD技术,进行了轴流式水轮机全过流部件的三维定常和非定常数值模拟;提出了在考虑活动导叶伸出底环,存在尖角间隙,这种情况下对水轮机性能的影响。本文所做的工作如下: (1)在对水轮机内部流动规律分析的基础上,采用雷诺平均N-S方程和k-ε紊流模型对轴流转桨式水轮机单周期活动导叶和单周期转轮联合进行了数值模拟。分析了在考虑活动导叶伸出底环,存在尖角间隙的情况下的流动特征及水力性能。指出在导叶大开度的情况下,尖角间隙处存在明显的间隙涡,为进一步结合试验讨论如何建立准确的几何模型提供参考。 (2)本文采用CAD技术,对包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管在内的轴流转桨式水轮机进行建模,并进行了三维定常流动计算。捕捉到了水轮机内部压力场和流速场等重要流动信息。得出速度矩在整个蜗壳内部的分布与V_uR=常数的设计理论相符,通过固定导叶安放角和水流进口角出口角的比较,为导叶的布置设计和转轮三维湍流计算提出参考意见。进一步比较了叶片旋转到不同位置的压力和速度变化,为进一步进行强度计算提供依据。 (3)由于水轮机单流道或单个过流部件的CFD模拟计算由于没有考虑各过流部件之间的耦合干涉,其预测结果也存在较大差别。本文在定常计算的基础上,利用弱耦合技术,预测了轴流式水轮机在转轮叶片流固耦合效应下的压力脉动性能,并对转轮和尾水管中的水流的流动特征进行了分析。


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