混流式水輪機全部通流元件的三維湍流流場分析與性能預測.pdf

1、本文在三維時均N-S方程的基礎上，運用標準k-ε模型和RNGk-ε模型對一模型混流式水輪機引水元件、轉輪和尾水管進行了單獨計算和聯(lián)合計算，數(shù)值模擬了水輪機各通流元件內(nèi)部三維湍流流場，并根據(jù)流場計算結果對水輪機的能量性能和空化性能進行了預測。 通過對蝸殼、座環(huán)和導葉進行聯(lián)合計算，得到了引水元件內(nèi)部合理的壓力和流速分布，得出速度矩在整個蝸殼內(nèi)部的分布與vuR=常數(shù)的設計理論相符、蝸殼設計中蝸殼出口徑向速度沿周向均布的假設是合理的結論

2、，并根據(jù)座環(huán)支柱進口水流方向以及導葉出口水流速度及環(huán)量沿周向的不均勻分布，為座環(huán)的水力設計和轉輪三維湍流計算提出參考意見。 根據(jù)引水元件內(nèi)部流場計算結果，對引水元件水力損失進行了計算與分析。研究表明，隨著網(wǎng)格密度的增加，計算精度提高；對葉片附近進行細密的網(wǎng)格劃分，可明顯提高計算精度；進口邊界條件中參數(shù)的正確設置是非常重要的；在合適的網(wǎng)格密度、局部網(wǎng)格加密和計算參數(shù)的正確設置下，采用壓力出口邊界條件計算的引水元件水力損失與實際較為

3、吻合：計算域出口位置對引水元件水力損失的計算影響較小。 通過模型水輪機轉輪單流道三維定常湍流計算和轉輪與尾水管三維定常湍流聯(lián)合計算的結果對比可見，兩者都可以得到水輪機通流元件內(nèi)部的流動細節(jié)，但從轉輪效率的計算結果可以看到，單流道計算結果更為合理，考慮引水元件和轉輪水力損失后的水輪機效率與實測值更為接近。在現(xiàn)有計算資源條件下，針對一模型水輪機，提出了一種將多部件聯(lián)合計算與轉輪單流道計算相結合的方法，對水輪機能量性能進行了預測，本模

4、型水輪機計算效率的最大相對誤差僅為為0.9％。該方法現(xiàn)實可行且精度較高，對水輪機能量性能預測有一定的參考價值。 根據(jù)模型水輪機轉輪單流道三維定常湍流數(shù)值模擬結果，用理論計算的方法得到了水輪機轉輪的初生空化系數(shù)，并與實測的水輪機臨界空化系數(shù)進行了比較。由計算結果可見，計算值和實測值的變化規(guī)律相同，數(shù)值大小符合實際。 本文所取得的研究成果對優(yōu)化混流式水輪機的設計，正確進行水輪機通流元件的數(shù)值計算，正確預測水輪機的水力性能具有