沖擊式水輪機內(nèi)部流動數(shù)值模擬及性能研究.pdf

1、沖擊式水輪機試驗表明：真機效率均低于模型效率，這種反常的趨勢容易引起從模型試驗結(jié)果預(yù)測真機性能的風(fēng)險性。因此迄今為止，IEC模型試驗規(guī)范并不考慮沖擊式水輪機中的比尺效應(yīng)對模型和真機之間的性能換算的影響，其主要原因是對沖擊式水輪機復(fù)雜的內(nèi)部流動機理缺乏深入了解。而且，沖擊式水輪機流動存在著復(fù)雜的比尺效應(yīng)，尤其是由射流衰減和射流干涉帶來的負(fù)比尺效應(yīng)為流動研究帶來了復(fù)雜性。因此，本文致力于在試驗和數(shù)值計算方面對沖擊式水輪機各種內(nèi)部流動細(xì)節(jié)及其

2、能量轉(zhuǎn)化性能的研究，以探討沖擊式水輪機流動的比尺效應(yīng)和性能換算特征。 本文在首先介紹了沖擊式水輪機內(nèi)部流動中管內(nèi)流、自由射流以及水斗繞流等方面的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。在分析轉(zhuǎn)輪的基本性能、各效率與水輪機效率之間的關(guān)系基礎(chǔ)上，探討了沖擊式水輪機內(nèi)部流動比尺效應(yīng)的產(chǎn)生根源、作用機理，尤其是負(fù)比尺效應(yīng)與射流干涉和性能偏移之間的關(guān)系，并提出了新的性能換算法則思想。 沖擊式水輪機內(nèi)部流動包括了定常、單相的管內(nèi)流和3維非定常氣液二相流動

3、。噴嘴管的水力形狀和自由射流的能量質(zhì)量直接關(guān)系到水輪機的整體性能，為了探明其中的流動特征和能量特性，本文通過對噴嘴管流場的數(shù)值解析，分析了支持筋板對管內(nèi)流以及噴嘴出口流動的影響；通過對自由射流的數(shù)值計算，詳細(xì)分析了不同開度下噴嘴出口的流動特征、半自由射流的成因和能量特性，以及自由射流的縮流位置、直徑和能量，并預(yù)測了自由射流膨脹率。 隨著沖擊式轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，水斗不斷切入從噴嘴射出的圓柱形斷面射流，因此水斗的入射參數(shù)（流量、落點、入射角

4、、切入速度等）也隨著轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化。本文采用了動畫解析法將非定常流動按照時間順序，離散成動畫單元，對每個單元通過拉格朗日法對流體質(zhì)點的加速度積分，求得了各個動畫單元水斗內(nèi)非定常自由流動的流速等分布狀態(tài)，并按照一定的速度將其連續(xù)成動態(tài)影像來模擬水斗非定常流動。本文在進(jìn)一步完善非定常水斗內(nèi)部流動數(shù)值計算動畫解析法的基礎(chǔ)上，對水斗內(nèi)部流動進(jìn)行了模擬，并對不同型式的水斗流動和性能進(jìn)行預(yù)測和評價。 由于沖擊式水輪機的負(fù)比尺效應(yīng)源于自自

5、由射流本身的能量衰減以及水斗缺口出流流量的增加，本文從自由射流的能量衰減出發(fā)來探討水輪機能量轉(zhuǎn)化的特征和機理，首先引入描述射流衰減特征參數(shù)－自由射流膨脹率，并利用圖像分析的方法對其進(jìn)行了試驗測量。通過數(shù)值計算分析分析射流膨脹率對水斗內(nèi)部流動特征、能量轉(zhuǎn)化過程的影響，探討了多噴嘴水輪機中射流衰減與射流干涉中的直接射流干涉和水斗內(nèi)部干涉之間的關(guān)系。 本文闡述了利用沖擊式水輪機模型試驗臺，進(jìn)行了能量試驗、飛逸特性試驗以及流態(tài)觀測試驗，