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基于混流式水轮机蜗壳改造的型线优化及其数值模拟

周文斌  
【摘要】:在流体机械特性研究中,计算机辅助设计工具变得越来越重要。特别是计算机辅助生成的流体动力学的计算结果(Computational Fluid Dynamic,CFD)越来越多地被流体机械研究者所使用。一方面使用CFD来研究流体机械内部流场可以节省宝贵的实验资源;另一方面它可以显示不能从试验中测量到的很多流动特性的细节。所以,CFD有着非常重要的理论和经济意义。 本论文所做的工作主要有:从蜗壳的改造而不是整体更换蜗壳的设想出发,希望能在改造过程中改变蜗壳磨蚀较为严重的鼻端部分的型线使鼻端的水流速度比原来设计的速度有所降低,从而达到减小摩擦损失和磨蚀,提高蜗壳性能和寿命的目的。具体方法是将原来磨损严重的尾段割掉后,将重新设计平均流速的尾段作为改型后的尾段安装上去,由于放大了尾段截面积,从而达到了减小尾段平均流速,减小泥沙磨损的目的。通过对改型前后两种蜗壳进行几何建模,采取完全相同的网格划分方法和FLUENT计算参数设置,通过计算得到两种蜗壳在相同工况下流态的差异。 本论文主要的研究成果如下: 改型后的蜗壳较改型前有更优异的水力性能,降低蜗壳尾段流速,减小泥沙磨损,为大型混流式水轮机蜗壳的型线优化设计提供了有益的参考。得出结论如下: (1)蜗壳内部流态复杂,改造前后蜗壳全段均不严格符合V_u·r=K,改型后包角φ145°段V_u·r较改型前小; (2)改型后的V_u在改型段的最大平均值比改型前有明显的减小,通过计算得出改型后蜗壳寿命约为原蜗壳寿命的1.2倍; (3)改型后蜗壳出口液流角在改型段φ85°以后比改型前有明显增加,在尾部最后一个固定导叶入口产生较大的冲角,应该对原蜗壳固定导叶进行修型,来减小撞击损失,提高水力效率; 运行三年后的检查结果表明改型蜗壳的尾段磨蚀情况有了明显的减小,本改型方案为大型混流式水轮机蜗壳的型线优化设计提供了有益的参考。


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