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水轮机蜗壳的优化设计与CFD分析
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出门在外也不愁冲击式水轮机喷嘴射流的数值模拟及流动机理研究29
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冲击式水轮机喷嘴射流的数值模拟及流动机理研究29
聃78G106;分类号;UDCTK735+.1学校代码学10561002;华南理工大学硕士学位论文;冲击式水轮机喷嘴射流的数值模拟;及流动机理研究;林志文;指导教师:韩凤琴教授;华南理工大学电力学院;申请学位级别:;论文提交日期:工学硕士专业名称:工程热物理200;学位授予单位和日期:;答辩委员会主席:;论文评阅人:华南理工大学韦彩新韦彩新教授教授刘金;摘要
聃78G106分类号UDCTK735+.1学校代码学10561002密级号200234000201华南理工大学硕士学位论文冲击式水轮机喷嘴射流的数值模拟及流动机理研究林志文指导教师:韩凤琴教授华南理工大学电力学院申请学位级别:论文提交日期:工学硕士专业名称:工程热物理2005.06.102005.05.20论文答辩日期:学位授予单位和日期:答辩委员会主席:论文评阅人:华南理工大学韦彩新韦彩新教授教授刘金平副教授摘要摘要目前,数值模拟技术在反击式水轮机研究中得到广泛应用,推动了反击式水轮机技术的发展,但是由于冲击式水轮机内部流动存在自由面、两相及高度不稳定性等复杂情况,其正确可信的数值模拟成为研究的难点,对其流态现象和流动机理的认识相对薄弱。随着计算机软硬件和数值模拟技术的发展,将数值模拟技术应用于冲击式水轮机的研究,解析其内部流动机理,以指导冲击式水轮机的设计开发,具有十分重要的意义。冲击式水轮机的内部流动包括进水管道内的单相流动、从喷嘴射出的自由射流和射入水斗的非定常自由水膜流。其中,喷嘴射流的是一种复杂的气液两相非定常流动。为了给喷嘴射流的数值模拟提供理论基础,本文首先介绍了流场数值模拟的基本流场控制方程、CFD求解过程,重点讨论喷嘴射流数值模拟中适用的湍流模型、网格技术以及自由表面追踪技术。数值解析的设定直接影响了解析结果的精度和可信度。本文详细描述数值解析的各项设定,依照计算前处理的次序介绍了数值模型的建立、网格的划分、边界条件和初始条件的设定、计算控制参数设定。由于冲击式水轮机喷嘴射流是两相射流,进行瞬态计算的时间步长必须非常小,需要大量的计算资源。为了节省计算资源,加快计算速度,本研究在保证结果正确可信的前提下对计算的模型、网格和边界条件等多方面进行探讨,力求找出最佳的方案,提高数值模拟的效率。在冲击式水轮机的设计或者改进中,射流形状是重要信息,它包含了三个重要参数:缩流位置Zo、缩流半径Ro以及射流半径膨胀率妇{等。这些参数可以用来判断射流的质量从而改进喷嘴、喷针和上游导水管道的设计,还可以作为下游水斗设计、机壳设计提供依据。本文介绍了射流形状预测存在的难点,在射流的数值模拟基础上对适用于环境风速下的射流半径计算公式进行推导,提出了网格动能权重法,应用该方法对几个时刻的瞬时射流形状进行计算,揭示了射流形状的不稳定性。由此,首次引入了统计的方法进行时间平均处理,讨论和比较了最佳的取样频率和样本数量,作出了时间平均的射流形状,从而找到了缩流位置、缩流半径和缩流速度等重要设计参数。通过最小二乘法作出射流膨胀的趋势线,得到线性的趋势方程,从而确定了射流半径膨胀率。应用网格动能权重法,本章还对不同喷针开度下和不同环境风速下的射流形状进行了比较。冲击式水轮机喷嘴射流由于处于大气压力中,被认为是空气中的“自由射流”。流场数值解析揭示了在喷嘴喉部和收缩截面之间的射流相对大气压具有一定的压力,由此把自由射流区分为准自由射流和完全自由射流两个区域。本文对喷嘴射华南理T大学硕十学位论文流的喷嘴内部单相流动、准自由射流、完全自由射流区域的能量结构进行了详细的分析。最后,文章总结了在冲击式水轮机喷嘴射流研究中取得的成果与不足,对今后研究工作提出展望。关键词射流;自由表面流:冲击式水轮机;数值模拟;流动机理IIAbstractAbstractHitherto,CFD(ComputationalFluidDynamics)hasbeenwidelyusedintheresearchofoverpressureturbine,whichadvancesturbine.thedevelopmentofoverpressureInPeltonturbine,theinnerwaterflowisthecomplicatedconditionmixingwithfreesurface,two-phaseandhighlyinstability,itisdifficulttoproceedreliablenumericalsimulationforit.TheflowpatternandmechanisminsidePeltonturbinesisstillnotbefullyrecognized.WiththedevelopmentofcomputertechnologyandCFD,usingCFDtechniqueintheresearchofPeltonturbinewillhasthesignificantmeaningfortheanalysisofflowmechanismandthedesignofPeltonturbines.TheinnerflowofPeltonturbineincludesthemono―phaseflowinsidenozzlepipe,thefreebucketjetflowemergedfromnozzleandtheunsteadyfreewatersheetflowonsurface.Amongofthese,nozzlejetflowisacomplicatedair―watertwo―phaseunsteadyflow.simulation,thispaperInordertopreparethetheoreticalbasisofnumericalintroducedthegoverningequations,theasfirstlysolutionprocedureofCFD.Theturbulencemodel,meshtechniquetrackingwellasfreesurfaceweremethodwhichfitforthenumericalsimulationofnozzlejetflowemphasized.Thenumericalsettingshavedirectinfluencetotheaccuracyandreliabilityofresult.Accordingtotheorderofpre?processing,themodeling,meshing,boundaryandinitialconditionsandthesolutioncontrolsettingweredetailedillustratedinthispaper.Thetimestepisverysmallforthetransientanalysisofnozzleoccupiednumerouscomputationalresources.jetflow,whichInordertospeedupthecomputation,theoptimumnumericalmodeling,meshingandboundarieswerediscussed.Thegeometryandhelpfulweightedofjetflowisnecessaryinformationtojudgethequalityofjetflowforthedesignkineticofnozzle,needleandbucket.Thewasproposedtonewmethodofunderspecifiedgridenergyjetgeometryenvironmentalwind.Sincethejetgeometryisfluctuatingwithtime,time―averagedstatisticaltreatmentwasintroduced.Theoptimumsamplingfrequencyandsamplingnumberwasdiscussed.Time―averagedjetgeometryofferedtheimportantparameters:thepositionofjetcontraction,itsradiusanditsvelocity.Trendlinewasdrawnwithleastsquaremethodandtheradius?expansionrateofThejetwasconfirmed.jetgeometryunderdifferentneedlestrokesandenvironmentalwindvelocities111华南理T大学硕士学位论文alsowerecomparedinthispaper.ThewaterjetemergedoutofthenozzleofaPeltonturbinewasconsideredasthe“free-jet”inthemidair.Thenumericalflowanalysisrevealsthatthejethasthepressureabovetheatmosphericpressurebetweenthenozzlethroatandthecontractionsection.Thenozzlepurefreejetflowcouldbedividedintotworegions:semi―freeajetandjet.Thejetpaperoffereddetailedanalysisofenergystructureofconduitflow,semi-freeandpurefreejet.Eventuallytheachievementandshortcominginthispaperweresummedup.Atthesametime,theauthortookanoutlookforthefutureresearch.Keywordsjetflow;freesurfaceflow;Peltonturbine;flOWmechanismnumericalsimulation;包含各类专业文献、文学作品欣赏、幼儿教育、小学教育、中学教育、专业论文、行业资料、应用写作文书、高等教育、生活休闲娱乐、冲击式水轮机喷嘴射流的数值模拟及流动机理研究29等内容。 
 冲击式水轮机喷嘴射流的... 68页 2下载券 表3....就其部件之一喷嘴的能量指标而对喷嘴进行了数值模拟...(4)流动机理 如湍流机理、超音速飞行系统引起的生态...  84 冲击式水轮机流动计算... 4页 2下载券 用于稳定...射流直径 d0 在 7~14m 中使用;斜击双喷嘴目前...表 4 斜击式 D1/d0 配套值 对小型机组,D1 ...  流动特征方面: 反击式水轮机转轮流道有压、封闭、全...问:冲击式水轮机的主要部件 喷嘴:水轮机自由射流的...速数值均自左,至右增大。斜流式转轮。比转分部为...  喷嘴的结构设计和参数优化数值模拟研究_机械/仪表_...通过水射流的冲击作用、动压 力作用、 脉冲负荷引起...复杂流动的物理现象,采用不 同的离散格式和数值方法...  应用FLUENT进行射流流场的数值模拟_建筑/土木_工程科技...使我们更加深刻地 理解问题产生的机理,为实验研究...通过数值模拟,可以更好的了解喷嘴的内外流场的流动...  冲击式水轮机: 转轮只利用水流动能作功的水轮机称为冲击式水轮机。其特征是:有压 水流先经过喷嘴形成高速自由射流,将压能转换成动能,并冲击转轮旋转。 水流只...  这是由于冲击式水轮机内流较为复杂, 成为研究的...的水由水轮机喷嘴喷出, 大气中喷嘴 的射流射至转轮...采用更科学的流体力学模型对流动干涉进行数值 模拟,...  关键词:水轮机 调速器 应用体会 1 概述 冲击式水轮机适用于高水头、小流量的电站,它将来自压力管道的水,经喷嘴后转 换为高速射流,切向冲击转轮,推动转轮旋转,...  高压水射流喷嘴内部流场的数值模拟_交通运输_工程科技...高压水射流常涉及多相混合的介质射 流,机理复杂。简单的一维理论研究对喷嘴 及其射流的真实流动进行...多喷嘴斜击式水轮机转轮水力模型的研究--《西华大学》2014年硕士论文
多喷嘴斜击式水轮机转轮水力模型的研究
【摘要】:国民经济的发展离不开电力工业,水力发电在电力工业中起着特殊的作用,其中水轮机是水电站的心脏,主导着整个电站的经济效益,随着科技的发展,研究人员也不满足于现状,对水轮机的研发和设计更加苛刻,近几十年我国在水轮机设计和水电站建设上取得了显著的成就。随着水力资源的大力开发,水电站的建设朝着超高水头和超低水头两个方向发展,对于高水头的水电站我们通常采用冲击式水轮机,对于水力资源不充裕的地方采用冲击式、混流式等机型均不能达到预期的要求,而传统的斜击式水轮机又多为单喷嘴,单喷嘴的斜击式水轮机存在着一定的局限性,单机出力比较小,通过转轮的流量小,要达到一定的出力时只能增加机组的台数,这样就加大了厂房占地面积,从而也提高了电站的建设成本。
本文通过对高效多喷嘴斜击式水轮机水力模型设计研究中会发现,随着喷嘴数的增加,结构布置复杂,通过转轮的流量增加,喷嘴所射的射流与转轮内部的水流存在一定的干涉现象,在叶片的根部会产生大量的漩涡,同时在叶片的进口处也同样会形成大量的漩涡,这样对叶片有很大的损害,使得机组水力损失大,水力效率低。通过优化改进,将原来的单喷嘴改为双喷嘴结构,完成双喷嘴斜击式水轮机转轮的水力及结构设计,采用UG软件进行三维建模及Gambit软件进行网格划分,最终我们采用CFD技术对此类水轮机转轮及内部流道进行了数值模拟,来分析和研究其内部流动规律,可以看出射流之间与转轮内部水流的干涉情况是怎样的,从而有针对性的对斗叶型线进行优化,弥补了单喷嘴斜击式水轮机出力受限的问题,喷嘴数目的增加有效的解决了射流与转轮内部流动之间的流动干涉问题,最终确定了双喷嘴斜击式水轮机转轮的可行性,此类水轮机有效的提高了转轮的效率,使机组运行安全平稳,同时本文还提出了该类型水轮机的安装技术标准及运行维护的技术措施,对电站的实际生产起到了一定的指导作用。
【关键词】:
【学位授予单位】:西华大学【学位级别】:硕士【学位授予年份】:2014【分类号】:TK730【目录】:
摘要4-5Abstract5-10引言10-111 绪论11-14 1.1 课题来源11 1.2 课题名称11 1.3 研究背景目的及意义11-12 1.4 国内外研究现状及发展趋势12-13 1.5 本文主要研究内容、途径及技术路线13-142 多喷嘴斜击式水轮机转轮的水力模型开发设计14-24 2.1 水力模型设计的理论分析14-15 2.2 原理模型的基本方程15-17 2.3 多喷嘴斜击式水轮机的选择设计17-20
2.3.1 设计参数的选择17
2.3.2 方案选择与对比研究17-20 2.4 双喷嘴斜击式水轮机转轮水力模型设计20-24
2.4.1 射流直径 d0的确定20
2.4.2 转轮直径与射流直径的比值 m20
2.4.3 转速的确定20
2.4.4 计算水轮机的轴向水推理 PZ20
2.4.5 确定飞逸转速20
2.4.6 转轮斗叶数的确定20-21
2.4.7 型号 XJA-W-80/2×17 双喷嘴斜击式水轮机转轮的水力模型开发21-243 双喷嘴斜击式水轮机转轮三维模型建立及网格划分24-31 3.1 三维模型建立24-28
3.1.1 三维建模软件 UG 简介24
3.1.2 三维建模方法24-25
3.1.3 双喷嘴斜击式水轮机转轮三维模型的建立过程25-28 3.2 网格划分28-31
3.2.1 Gambit 软件简介28
3.2.2 网格划分的类型及特点28-314 双喷嘴斜击式水轮机全流道的流动计算31-46 4.1 CFD 的求解原理31-33
4.1.1 常用的 CFD 软件简介31-32
4.1.2 CFD 的工作步骤32-33 4.2 CFD 求解模型33-36
4.2.1 控制方程33-35
4.2.2 湍流模型的选择35-36 4.3 双喷嘴斜击式水轮机转轮流动计算的边界条件的设置36 4.4 双喷嘴斜击式水轮机转轮内部流场的计算结果36-46
4.4.1 原单模型数值模拟结果及分析36-40
4.4.2 优化后的模型数值模拟结果及分析40-465 双喷嘴斜击式水轮机的结构设计及机组布置46-53 5.1 XJA-W-80/2×17 型双喷嘴斜击式水轮机结构概述46 5.2 双喷嘴斜击式水轮机的主要部件46-49
5.2.1 喷嘴装配47-48
5.2.2 转动部分48
5.2.3 机壳装配48-49
5.2.4 控制部分49
5.2.5 管路部分49 5.3 双喷嘴斜击式水轮机安装及布置49-51
5.3.1 双喷嘴斜击式水轮机的试运行50-51
5.3.2 机组的负荷试验51 5.4 双喷嘴斜击式水轮机保护装置和操作注意事项51-53
5.4.1 安全保护装置与动作方式52
5.4.2 机组的操作注意事项52-53结论53-54参考文献54-57攻读硕士学位期间发表学术论文情况57-58致谢58-59
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