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混流式水轮机转轮内部流场计算研究

冯俊豪  
【摘要】:混流式水轮机以其技术成熟、造价低廉,以及比转速涵括范围宽等特点,已广泛应用于从几米到几百米水头段。随着水电设备国际市场重心转向我国及我国水电事业高速发展的需要,混流式水轮机的需求量越来越大。因此,提高水轮机的水力性能和工作稳定性具有十分重要的现实意义。 随着计算技术与计算机的发展及对旋转流体机械内部流动机理研究的深入,数值模拟成为目前流体机械内部流动及其性能研究的主要方法与手段之一。本文应用FLUENT软件,采用SIMPLE算法和标准K—ε湍流模型、基于有限控制体积法,并辅以壁面函数法,对HL260转轮和包括转轮在内的机组段整体过流通道这两种计算方案做了内流场的数值模拟;从速度和压力分布的角度研究和探讨了其能量转换的机理与各工况下转轮内部流动的特性,及其对外特性的影响,以期对转轮内部流动有较为全面的了解,从而寻找出提高其性能的措施;为其性能的提高提供可靠的科学依据。 本文通过对该转轮内部流动的数值模拟,着重考察了转轮内部流动的速度、压力分布以及二次流的情况,并对不同工况下的水力性能及空蚀性能进行了定量预估。经分析和数值模拟结果显示: 1.单对转轮和对整个机组段过流通道的两种计算方案数值模拟结果基本一致;这两种计算方案所得到的速度和压力分布非常相似,压力的最高相对计算误差不超过1.21‰; 2.在偏离设计工况,尤其是在小流量工况下转轮叶片正背面、进水边处的速度、压力分布不均匀;而且在靠近下环进口处有小的旋涡区存在;在靠近上冠处有二次流,即所谓的“横流”现象。所有这些都是影响该转轮性能的重要因素。 由此,针对出现的以上现象,提出了相应的改进措施,如减小叶片进口角等。


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