不完全蜗壳混流式水轮机引水部件内流动的数值研究

【摘要】： 在水头较低的条件下,混流式水轮机往往采用不完全包角的砼蜗壳来增大入流量,但来流的不均匀性,以及引水部件内固定导叶绕流在边界层内引起的流动分离和转捩等对水轮机的效率和稳定性会产生一定影响。因此,展开不完全蜗壳混流式水轮机引水部件内流动的数值研究具有重要意义。本文的主要研究内容包括以下几个方面： 先用大涡模拟方法(LES)模拟钝尾物体(圆柱、翼型)绕流来探求不同湍流模型对旋涡模拟计算精度的影响,结果表明：使用该模型能够精确模拟出物体后卡门涡街的形成、脱落、演变、和主流混掺后消失的过程；因脱体涡模拟方法(DES)对捕捉流动分离同样有着独特的优势,且与大涡模型相比又能够节省网格数量,而后用DES模型对固定导叶与活动导叶构成的双列叶栅进行计算分析,结果表明：固定导叶后尾迹涡系结构的相互干涉,旋涡系的相互作用将造成较大的能量耗散,也是造成水轮机不稳定和效率下降的原因之一。 同样为了节省网格数量,对水轮机全流道计算时采用了k-ε湍流模型,可以反映出水轮机内部的流动特性,研究表明：部分固定导叶前存在较大冲角,通过对固定导叶的安放角按照蜗壳的液流角进行阶段性的调整后,明显改善了固定导叶的绕流特性,减小了水头损失。 比较了六种固定导叶尾部形状,以研究固定导叶的尾部形状对导水机构和转轮内流动的影响,结果表明：当尾部形状为尖角时,固定导叶的出口水流角沿周向的分布在尾缘处畸变,而叶道后的水流角更加平缓,所以尾部使用非对称圆弧形,更适合变工况下导叶的绕流流动。 最后研究了不同活动导叶分布圆直径对转轮内流动的影响,通过对流动的分析表明,适当调整分布圆直径,有利于改善叶片上环量的分布,提高水轮机的水力效率。