高水头混流式水轮机内部固液两相流数值分析

针对泥沙直径对混流式水轮机蜗壳和导水机构内部流场产生影响的问题进行了初步研究,采用固液两相流模型对某电站的高水头混流式水轮机进行了全流道数值模拟,通过单一变量法来研究不同来流泥沙的直径对蜗壳和导水机构内部压力及泥沙分布产生的影响。研究结果表明:与清水相比,含沙水流会不同程度地使蜗壳和导水机构内部的水压力载荷增加,在相同工况下,蜗壳底部、蜗壳鼻端、固定导叶和活动导叶头部的泥沙浓度较大;小直径下泥沙分布均匀,随着泥沙直径的增加,泥沙浓度的梯度变大,泥沙分布更加集中,从而会使磨损加剧。该研究成果可为在含沙水流中运行的水轮机设计提供参考。     

基于CFD的水轮机导叶泥沙磨损研究

导叶是水轮机必不可少的引水构件，为了能研究含沙水中导叶的磨损情况，应用CFD流体分析软件，基于RNG湍流模型对不同泥沙浓度下的水轮机导叶进行了数值分析，得到了不同工况下导叶的泥沙体积分布图，从而进一步分析导叶的磨损情况。分析结果表明，在含沙水中，导叶叶片泥沙量从叶根向叶梢逐渐减小，叶片根部最早遭受泥沙冲蚀，磨损程度比其他位置严重。叶片正面过水面积比较大，所以叶片正面泥沙量比背面多，所遭受的泥沙磨损也比背面严重。随着泥沙浓度的增大，导叶表面的泥沙分布量也逐渐增大，叶片越容易遭受磨损破坏，而且同一个地方磨损程度越严重。     

运行工况对多沙河流水轮机导叶区磨损影响研究

多沙河流上具有调峰功能的水轮发电机组运行工况转换非常频繁,水轮机经常偏离最优工况运行,导致活动导叶磨损破坏严重。为揭示运行工况对水轮机活动导叶区域固液两相流动规律的影响,建立了黄河某多沙电站原型水轮机全流道三维水体模型,采用欧拉-欧拉两相流模型和RNG k-ε湍流模型对水轮机不同出力工况进行了固液两相流数值模拟计算,对不同运行工况下导叶区域的压力、流速、含沙量等进行了分析。结果表明：含沙水流会使导叶区域最小压力减小,从而增加空化发生机率;出力工况对导叶区固液两相流动影响较大,随着水轮机出力减小,导叶区最大流速反而增大,活动导叶迎水面与背水面的速度差也逐渐增大,小出力工况下,座环靠近鼻端位置高泥沙浓度区域扩散变大,活动导叶表面泥沙浓度由顶端至底部逐渐增加,活动导叶头部位置泥沙浓度最高。研究结果能够为预测多沙河流水轮机活动导叶易磨损位置和研究抗磨蚀对策提供技术支撑。     

基于欧拉固液两相流模型的混流式水轮机导水机构磨蚀损伤研究

为保障水轮机发电机组的安全运行,对水轮机活动导叶磨蚀损伤机理进行研究。基于欧拉固液两相流模型对水轮机活动导叶内部的固液两相紊流进行数值模拟,对磨损情况进行了分析,提出了导水机构的磨损预估及相应的修复建议。所得结论可供相关研究人员参考。     

多沙河流水轮机活动导叶泥沙磨损数值模拟研究

多沙河流水电站水轮机活动导叶磨损严重,导致机组出现“潜动”现象,甚至危及机组安全运行。为了揭示小开度工况下导叶区域的流动特性以及磨损特性,建立了万家寨原型水轮机全流道三维水体模型,采用ＤＰＭ模型和标准湍流模型对四种小开度工况进行了固液两相流数值模拟计算,结果表明:10％开度工况与４0％开度工况相比,叶栅流道的流态变差,导叶区域的流速和压强变化梯度增大,导叶立面密封位置两侧压力差由４8ｋＰａ增加到108ｋＰａ,立面密封处流速由18ｍ／ｓ增加到2４ｍ／ｓ;在10％开度工况下,叶栅流道狭窄,含沙水流在活动导叶出口形成射流磨损,导致活动导叶迎水面的头部和出水边以及背水面立面密封位置处磨损严重,随着导叶开度增大,活动导叶表面的磨损程度以及磨损区域都逐渐减小。本研究对于多泥沙电站水轮机稳定运行以及活动导叶的磨损防护具有重要意义。     

基于CFD的水轮机叶片优化设计研究

以某水电站轴流转桨式水轮机为研究对象,对机组引水管道、蜗壳、固定导叶、活动导叶、水轮机转轮以及尾水管等过流部件进行实际尺寸三维建模,对水轮机进行全流道三维数值模拟,根据模拟计算结果对转轮叶片进行改型设计,并利用CFD以及转轮效率计算,验证了新叶片性能的提升。     

新型潮汐双向竖井贯流式水轮机能量特性研究

为了研究某潮汐电站开发的新型高效低水头大流量双向竖井贯流式水轮机的能量特性,进行了模型试验与数值模拟计算。在模型试验中测试了水轮机正反两向、不同叶片安放角、不同导叶开度下的水头、流量和扭矩等参数,绘制了水轮机模型综合特性曲线,并与数值模拟结果进行了对比。试验结果表明,水轮机额定工况下,正向效率可达89.68%,反向效率可达84.08%,满足该潮汐电站运行要求;数值模拟结果与试验结果吻合,验证了数值模拟的可靠性,同时通过将换算后的原型试验结果与CFD数值模拟结果进行对比发现,在偏离设计工况点但是保持额定水头不变时,改变导叶开度引起的流量变化比改变叶片安放角引起的流量变化对数值模拟结果的偏差影响略大。     

高水头多泥沙电站水轮机导叶的泥沙磨损研究

高水头多泥沙电站水轮机活动导叶是泥沙磨损最为严重的部件。采用k-ε固液两相湍流模型和Sample算法,对水轮机全流道的流动进行数值模拟,并采集电站前池沙样,对水轮机导叶进行了泥沙磨损试验。计算结果表明,活动导叶上泥沙浓度最大位置在5%～10%弦长处,最大泥沙速度出现在20%弦长附近。试验结果表明,泥沙磨损较严重处为活动导叶头部,磨损最严重处在20%弦长附近,泥沙速度对活动导叶磨损影响很大。     

离心泵内部流场的数值模拟研究

计算流体（CFD）技术已经成功地运用于离心泵内部湍流流动的数值模拟。通过实体建模，为某型号离心泵添加固定导叶，然后运用ANSYS软件，基于标准k-ε模型，对离心泵内部流场进行数值模拟，并对添加导叶前后的压力、速度矢量图以及效率与实际的试验数据进行比较。结果发现，添加固定导叶后，出口压力明显增大，液流流动更加均匀，效率也得到大幅提升，而且与实验结果也比较吻合。研究结果进一步验证了仿真模拟的可靠性，同时也为实体泵优化和进一步提升效率研究提供理论参考。     

基于湍流模型的沙粒运动数值模拟

基于Eulerian-Larangian湍流模型对一含沙水流中水轮机全流道流场进行了数值模拟,得出不同断面上的速度分布图,含沙水沙粒的运动轨迹和对机组效率的影响.     

超低水头竖井贯流式水轮机三维湍流数值模拟

针对竖井贯流式水轮机导叶叶片数对其性能的影响,结合淮安市古黄河水利枢纽工程水轮机模型试验,在一定导叶开度下,对不同导叶数的竖井贯流式水轮机进行了基于CFD的数值模拟,并获得了设计点工况下配置不同导叶数量时水轮机的水力性能。将不同方案在水头损失以及流道和转轮效率上进行了对比。结果表明：随着导叶数的增加,流道效率和转轮效率逐渐提高,水头损失随之减小。通过分析贯流式水轮机内流场并结合外特性计算结果,最终确定了最佳导叶数方案;数值模拟得到的效率与试验数据的平均误差相当小,证明了数值模拟的准确性。该方法可以为超低水头竖井贯流式水轮机设计及其水力性能优化提供参考。     

运行工况对水轮机活动导叶表面泥沙浓度分布的影响

采用标准k-ε模型对水轮机内部沙水流动进行数值模拟,研究了不同工况下映秀湾电站活动导叶泥沙分布情况。研究结果表明,活动导叶磨损主要集中在头部且工作面比背面磨损量大,泥沙颗粒在活动导叶底部有堆积。活动导叶泥沙绕流速度分布规律相似,并随着出力的增加头部绕流速度明显增大。     

运西水电站竖井贯流式水轮机性能优化

采用雷诺时均方程(RANS),选择S-A湍流模型,运用SIMPLEC算法,利用CFD数值模拟技术,数值模拟了不同方案的运西水电站水轮机流道内流场,分析了转轮直径、叶片翼型、叶片个数、叶片安放角、转轮轮毂、转轮转速、导叶翼型、导叶轴线与机组中心线夹角、导叶个数、叶片及导叶安装位置、导叶开度对水轮机性能的影响,叶片数为3时水轮机装置性能较优,机组最高效率点分别在转速为187.5r/min、导叶个数为15时出现。对原有流道可改变部件做适当优化后,将优化后的转轮应用于电站进行数值计算,根据全流道的数值模拟结果,预测电站改造后机组的水力性能。根据数值计算的结果制作模型水轮机和真机进行模型试验和真机测试。结果表明,数值模拟结果与模型实验以及现场运行结果曲线的变化趋势一致,数值模拟结果基本能够准确反映电站的外特性和内部流场特征。     

混流式水轮机改造前后转轮内固液两相流数值分析

为了探究混流式水轮机改造前后转轮泥沙磨损情况,采用固液两相流模型对某电站改造前后的混流式水轮机进行全流道数值模拟,分析不同工况下转轮叶片表面泥沙分布,转轮叶片表面固液两相速度差,以及水轮机效率。结果表明:小流量工况下泥沙磨损最严重;水轮机改造后,叶片表面泥沙体积分数下降,固液两相速度差减少,泥沙磨损减弱,水轮机效率较改造前提升了5.5%。该研究可为水轮机改造提供一定的参考。     

小浪底水电厂筒形阀的同步控制原理和方法

为了减少停机时含沙水流对水轮机导叶和转轮的冲击磨损，小浪底水电厂在机组固定导叶与活动导叶之间设置了筒形阀，筒形阀由装置设在固定导叶上的导轨进行导向，由于间隙很小，而且筒形阀的体积和重量均很大，一旦在起升和下落过程中不能保持同步，将会造成发卡而影响机组的正常运行，小浪底水电厂采用电气和液压回路控制筒形阀的起落，其效果良好，对筒形阀的结构、同步控制原理及操作方法作了介绍。     

基于CFD的不同曲率导叶对水轮机内流场影响分析

水轮机导水机构的构造对水轮机运行状态具有重要的影响,针对不同的机组选择合适的导叶翼型是水轮机设计中不可缺少的步骤。在以往的设计中,利用经验和模型试验的方式确定活动导叶的形式具有一定的弊端。建立HL160模型水轮机全流道模型,并利用有限元分析软件,分别针对正曲率导叶和对称导叶进行了流体动力学计算与分析,并进行了导叶的应变分析。分析得出,该水轮机在最优工况下且使用对称导叶的情况下,流场稳定性优于使用正曲率导叶。实验结果证明,利用有限元分析方法可以方便地获取不同导叶翼型对水轮机内流场的影响,从而选择出合适的导叶翼型,提高水轮机的工作效率与稳定性。     

水轮机固定导叶与活动导叶周向相对位置的优化计算

基于无粘－边界层选代的计算模型，以水轮机导水机构的水力损失为目标函数，对固定导叶与活动导叶的周向相对位置进行了优化计算．与有关实验结果的定性比较表明本文的计算结果是合理的．     

三峡水轮机全流道三维流动数值模拟研究

本文使用商业CFD软件FLUENT,开发了部分接口程序,进行了全流道原型水轮机三维湍流数值模拟研究,计算对象是中国水利水电科学研究院机电研究所为三峡右岸开发的水轮机模型,该水力模型有完整的模型试验资料,可用于检验计算结果。水轮机全流道三维湍流数值模拟,计算区域为包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的全部流道。模拟中控制方程采用了三维时均N—S方程、湍流模型采用两方程RNG k-ε模型,数值方法采用贴体坐标的有限体积法。共进行了3个开度条件下的计算,每个开度各进行4个典型工况的三维湍流流场模拟,通过数值方法求解控制方程,获得了全流道的流速和压力分布。计算结果表明流速和压力分布合理,数值计算得到的效率与试验得到的效率进行比较,结果吻合良好。     

混流式模型水轮机导叶水力矩试验

为了确定导叶在各个开度所受的水力矩从而正确选择导水机构接力器,采用特殊的测力活动导叶轴、粘贴应变片的技术工艺、静荷载的标定方法,针对某一混流式模型水轮机进行了同步导叶水力矩和非同步导叶水力矩的模型试验。试验结果表明,该混流式模型水轮机导叶在同步及非同步条件下均具备自关闭的特性。试验结果已经用于真机导水机构设计,保证了原型水轮机设计的安全性与合理性。     

高水头混流式水轮机沙水流动数值模拟及转轮泥沙磨损实验研究

运用N-S方程和标准k-ε湍流模型,对高水头混流式水轮机内部沙水流动进行了全流道数值模拟。根据数值模拟结果和相似定理设计水轮机转轮叶片的单流道泥沙磨损实验装置,进行了转轮叶片泥沙磨损实验,获得了水轮机转轮叶片泥沙磨损的主要发生位置和磨损程度,并根据数值模拟和实验研究结果拟合出了水轮机转轮叶片的磨损率公式。结果表明:水轮机转轮叶片的进水边和出水口位置的磨损程度相对于其他位置更为严重,尤其是叶片背面。该研究对多泥沙河流水轮机转轮叶片的泥沙磨损评估以及维修具有指导意义。