水力機械內(nèi)部復雜流動的數(shù)值研究與性能預測.pdf

1、現(xiàn)代水力機械向著高參數(shù)、高性能和高可靠性方向發(fā)展，一個穩(wěn)定高效的流場是確保水力機械具有高性能和使其達到高可靠性的重要保證。而水力機械內(nèi)部流動十分復雜，由水力機械內(nèi)部湍流脈動誘發(fā)的水力穩(wěn)定性問題是決定其運行穩(wěn)定性的最主要因素。本文以水力機械內(nèi)部流動為研究對象，對一單級單吸離心泵和一混流式水輪機內(nèi)部流動進行了詳細的數(shù)值研究。主要完成了以下幾方面的工作：對流動求解過程中控制方程組的離散方法，耦合計算中的加速收斂技術(shù)，非定常流動數(shù)值模擬中動靜耦

2、合區(qū)域周期性邊界條件，動靜滑移界面網(wǎng)格處理方法和動靜干涉面上的信息傳遞方法等進行了研究。并分別采用了UDS和SUDS對流項離散格式和RSM、標準k-ε、RNG k-ε和k-ω SST四種湍流模型對水力機械內(nèi)部流動進行數(shù)值計算，以確定適合于模擬本文流動問題的湍流模型和對流項差分格式。采用數(shù)值模擬方法分析了不同工況下離心泵內(nèi)葉輪與蝸殼耦合的非定常流動，結(jié)果表明由于葉輪與蝸殼的干擾，蝸殼進口周向流動的不均勻性是非常強烈的，特別是葉輪與蝸舌間的

3、相互干擾最為強烈，一直影響到葉輪進口和蝸殼擴散管出口的流場，也是離心泵運行中部件振動和產(chǎn)生噪聲的主要原因；非設(shè)計工況下具有螺旋型壓水室的離心泵葉輪出口周向靜壓分布不均勻產(chǎn)生徑向力，在小流量工況下靜壓沿周向隨包角的增加而增大，到擴散段進口處達到最大，而大流量工況下靜壓沿周向隨包角的增加而減小；在蝸殼內(nèi)整個流動是以旋渦形式向出口推進的，并隨包角的變化旋渦表現(xiàn)出復雜的產(chǎn)生、發(fā)展和耗散的演化過程，導致蝸殼內(nèi)較大的流動損失；離心泵的瞬時揚程隨葉輪

4、與蝸殼相對位置的不同而表現(xiàn)出較大的變幅，且瞬時揚程的變幅隨著流量的減小而減小。開展了離心泵葉輪與蝸殼徑向間隙變化對離心泵性能影響的數(shù)值研究。對于不同外徑的葉輪，隨葉輪外徑的減小，最高效率點向小流量方向移動；徑向間隙的大小與壓力脈動量不呈線性關(guān)系，應該存在一個最優(yōu)的徑向間隙，在揚程下降不大的情況下，可顯著改善壓力脈動。進行了不同型式蝸舌對離心泵性能影響的數(shù)值研究。對于三種不同型式的蝸舌，蝸舌型式及相對位置對離心泵的性能和運行穩(wěn)定性有較大影

5、響。由深舌改為中舌時可使離心泵的揚程有所提高和使水力效率的高效率范圍變寬，且最高效率點向大流量方向移動:淺舌離心泵擴散段內(nèi)的流動可能影響離心泵的穩(wěn)定運行:中舌和淺舌離心泵運行時，蝸舌附近區(qū)域的壓力脈動幅值較小。最后在混流式水輪機全流道三維定常湍流計算的基礎(chǔ)上.建立了基于CFD分析的混流式水輪機性能預估方法，預估的能量性能與試驗結(jié)果相符，并捕捉到了水輪機各過流部件內(nèi)及動靜部件間的流動細節(jié)。提出的混流式水輪機性能預估方法應用于水輪機的水力設(shè)