水轮机转轮泥沙磨损的数值模拟

本文利用κ－ε－Ａｐ两组湍流模型计算水轮机转轮中泥沙固液两相湍流。根据液相和固相三维流速场的计算结果数值模拟了转轮叶片面的泥沙磨损。     

水力机械转轮内固液两相流的三维贴体数值模拟研究

本文利用悬浮体固液两相流颗粒群模型的理论研究成果,对在含沙水流中工作的水力机械转轮内部的固液两相流进行了数值模拟研究。首先针对水力机械转轮内部的悬浮体固液两相流的流动特性,通过探讨固液两相间的作用力本构关系式,简化了颗粒群模型中复杂的理论方程,建立了能进行数值模拟的欧拉方程。然后提出了一种新的数值模拟方法,即：在贴体坐标系下采用有限体积法,利用单一网格拟人工压缩技术,解决欧拉方程中的压力－速度关联问题和压力波动问题,并从理论上分析论证了该技术的严密性和有效性。作者利用此技术分别对轴流式水轮机转轮内实际工况下单相流与固液两相流的欧拉方程进行了数值模拟,在计算过程中,该技术能保证数值快速收敛和结果合理。最后对两相流流场的模拟结果进行的分析表明本文提出的数值模拟方法和拟人工压缩技术是成功的     

混流式水轮机三维空化湍流场混合数值模拟

基于欧拉–欧拉方法中均匀多相流假设的混合两相流体无滑移模型,加入考虑气穴影响的Schnerr and Sauer空化模型,采用标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型,对某混流式水轮机全流道进行了三维定常空化湍流数值模拟。利用ANSYSFLUENT,获得了该水轮机在偏工况下转轮叶道和尾水管内空泡相的主要流动特征,分析了水轮机流道内空化发生的部位与程度。计算结果表明与单相流体模型相比该方法能有效地预测水轮机内的三维空化湍流场,可以较好地模拟水轮机内真实的有空化发生的多相流动情况。     

高水头混流式水轮机转轮泥沙磨损特性模拟研究

泥沙磨损是导致混流式水轮机组失效的主要原因之一,特别在水头相对较高时,由于内部流速相对也较高,其磨损问题会更为严重。为研究混流式机组转轮磨损的形成机理,本文根据电站泥沙实测数据统计得到汛期的泥沙平均浓度和粒径,对高水头混流式水轮机在最优开度和小开度两种工况下的固液两相流特性进行数值计算,基于拉格朗日方法模拟颗粒的运动轨迹,选取Oka模型对转轮的磨损特性进行了预测。通过分析转轮内的流动特性、颗粒的运动轨迹和壁面冲击特性,对混流式机组转轮磨损形态的形成原因进行了探讨,并将计算结果与文献中的实际磨损情况进行对比分析。预测的结果表明：采用欧拉-拉格朗日方法可较好地对混流式水轮机转轮的主要磨损区域进行定性的预测;在小导叶开度的偏工况时,转轮内部的涡旋流特性会导致颗粒产生局部富集等现象,从而引起对应区域磨损速率的增加。     

曲线坐标系下的三维k-ε-A_p固液两相湍流总沙输运模型

本文建立非正交曲线坐标系下的三维k-ε-A,固液两相湍流模型研究弯道内的水流泥沙运动和河床冲淤变形.河床变形计算采用推移质模型和总沙模型两种处理方法.两相湍流模型在计算推移质输运时采用泥沙的横纵向速度处理推移质的强度和方向,利用泥沙垂向速度计算悬沙与床沙之间的交换通量.计算发现两相湍流模型的河床冲淤变化分布结果比单相湍流模型的结果更接近试验结果,两相湍流总沙模型计算结果中局部区域的水深比两相湍流床沙模型计算得到的水深小.床面变形以及固液两相横纵向流速分布分析比较表明,泥沙运动的横向和纵向分布对床面变形的影响起重要作用,单相湍流模型在计算弯道内的推移质运动时夸大了二次流对泥沙横向输运的作用.     

水轮机转轮中轴对称固液两相流计算

本文首先推导出了稀疏固液两相流动的求解方程，然后，得出了水轮机转轮轴面上的泥砂速度通解，并计算了不同颗粒在水轮机转轮轴面上的轴面速度。最后，利用该成果对某电站转轮进行改造，取得了成功，故本研究对水涡轮机械转轮叶片磨蚀的研究及含砂水流中的叶片设计有很大的参考和使用价值。     

可逆式水轮机的数值模拟与性能分析

本文基于Navier-Stokes方程和设计的k-ε湍流模型,采用贴体坐标和交错网格系统,采用SIMPLEC算法对一高水头可逆式水轮机进行了全流道三维湍流数值模拟.详细分析了可逆式水轮机在设计工况以及非设计工况下的双向运转过程中,转轮内部,转轮和导叶交接处和尾水管中的流场,同时讨论了部件的能量性能.并结合相关知识对此进行了初步的分析.计算结果揭示了水泵水轮机转轮内部流动规律及部分原因.预测了此水泵水轮机的水力性能.     

三峡水轮机的非定常湍流计算及整机压力脉动分析

本文对三峡原型混流式水轮机进行了三维非定常湍流计算，得到了水轮机的非定常流场，预测了尾水管内、转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动。通过与模型试验结果进行比较可以看出，本文提供的计算结果能够准确预测水轮机内的压力脉动。分析结果表明，尾水管内涡带及转轮与活动导叶间的动静干扰是产生压力脉动的两个主要脉动源，并在整个水轮机流道内传播。     

葛洲坝ZZ500转轮的流动分析

本文介绍了应用湍流计算技术对葛洲坝水电站 ZZ500转轮的流动计算。给出了轴流式水轮机流动计算的建模方法,得到了 ZZ500转轮主要的内流动特性,基于流动分析结果,分析了对该转轮进行优化的可行性。     

不同湍流强度下潮流能水轮机尾流特性试验研究

为探究在不同湍流强度下潮流能水轮机的尾流场流速分布和紊动特性,合理布置多机组阵列位置,通过现场模型试验探究了潮流能水轮机在两种湍流强度下的尾流场特性。结果表明:水轮机横向尾流场湍流强度和速度分布沿转轮中心线呈对称分布;水轮机后方1.5D处最大速度损失出现在转轮叶尖位置附近;水轮机后方纵向流场1.5D处,在两种湍流强度下轮毂以上位置的速度分布相似;在转轮中心后方10D位置处,低湍流强度流场速度恢复至初始流速的89.60%而高湍流度流场速度恢复至初始流场的95.22%,高湍流强度流场由于提高其流场的脉动特性而有利于尾流场速度的恢复。研究结果对多机组阵列研究具有一定借鉴意义。     

基于CFD的长短叶片水轮机压力脉动研究

以长短叶片混流式水轮机三维定常湍流计算结果作为非定常湍流计算初始条件,结合混流式水轮机湍流流动进行全流道三维非定常模拟研究。通过在蜗壳进口、固定导叶及活动导叶前、转轮前和尾水管截面测点压力脉动及频谱分析,得出长短叶片混流式水轮机内压力脉动产生和传播的部分规律。     

水泵水轮机双向流动控制优化设计

本文建立了能够控制双向流动性能的水泵水轮机在线优化设计模型.模型中采用全三维反问题方法设计转轮叶片,采用叶型逼近方法求解水轮机工况和水泵工况的流场.综合考虑双向流动的能量性能和空化性能,提出了综合性能评价函敫.采用单纯形加速方法,对一高水头水泵水轮机进行优化设计,得到了综合流动性能较好的转轮.全流道的定常湍流计算结果表明,优化后两个流动方向的转轮效率都提高,空化系数降低,证明了优化方法是可行的.模型可以实现计算机的在线优化计算,减少了人工干预.     

混流式水轮机飞逸暂态过程的三维非定常湍流计算Ⅰ

根据加速旋转相对坐标系中雷诺平均的连续性方程和Navier-stokes方程,以及转动系统的动量矩方程,推导了水轮机转轮区域的流动控制方程。在此基础上,对基于HL220进行改型的混流式水轮机进行飞逸暂态过程的三维非定常湍流数值模拟,在最优开度工况下采用RNGk-ε湍流模型对方程组进行了封闭,得到了暂态过程中水轮机体积流量、转轮水力矩、转轮角速度、及水轮机效率随时间的变化曲线。为了更加全面地分析水轮机内部的流动情况,采用RNGk-ε湍流模型进行9种开度工况下的飞逸暂态过程数值模拟,得到各开度下的飞逸过程曲线、水轮机内部流动的变化情况,以及飞逸流量及飞逸转速,并和试验结果进行了比较。结果显示两者吻合良好,表明通过计算可以较为准确地预测出水轮机飞逸过程中各参数随时间的变化情况。     

水轮机转轮工作过程中的流固耦合分析

本文分析了某型混流式水轮机工作过程中水流与转轮的单向流固耦合作用及响应。在分析单向流固耦合作用基本原理的基础上,分别建立了表示水轮机流体域的各个过流部件的三维模型和转轮模型,并装配这些部件得到了水轮机的全流道三维模型;应用ANSYS CFX软件进行了全流道CFD计算,并将计算得到的流体-转轮交界面冲击压力数据导入至转轮力学分析模块,计算得到了转轮在工作过程中的总体变形、应力及应变响应数据。结果表明,叶片侧缘切水刃边及出水边、叶片根部是失效危险位置,制造过程中宜对这些部位做特殊耐磨及强化处理,并在运行监测过程中对这些部位进行有针对性的重点关注与检查。     

低比转速水轮机活动导叶固液两相数值模拟研究

低比速混流式水轮机导叶出口处的最大流速可达50~56 m/s,甚至更高,造成该区域的磨蚀较转轮严重,因此有必要对低比转速混流式水轮机的导水机构进行研究。依托某多泥沙水电站低比转速水轮机的实际资料,建立由蜗壳、座环及导水机构组成的三维实体模型,分别对典型工况进行固液两相流数值模拟,探讨固液两相流计算在低比转速水轮机导水机构设计中的应用,共进行了两组模拟,一组为不同工况,相同粒径,一组为相同工况,不同粒径。根据计算结果对磨蚀的原因进行了分析,对导水机构的磨蚀部位进行了预估,与真机实际情况进行了对比分析。为今后的水轮机设计生产提供参考,以及为电站运行工况的选择提供依据。     

基于流固耦合的混流式水轮机转轮静应力特性分析

近年来，国内外一系列大型水轮发电机组频繁发生转轮叶片投产后短期内出现穿透性裂纹问题，对机组安全稳定运行构成了威胁。长期以来人们一直在寻找由于水力激励引起转轮叶片应力特性的计算方法。本文首先对混流式水轮机全流道内流场进行了多工况的CFD计算，得到不同工况下转轮叶片表面水压力载荷，并利用顺序流固耦合方法对转轮在各种工况下的应力特性进行计算。结果表明在大部分工况下该转轮叶片最大静应力基本上与水轮机功率成线性关系。本文计算结果可为其它水轮机转轮的应力特性分析及转轮疲劳裂纹分析提供参考。     

泥沙直径和浓度对混流式水轮机转轮内流场的影响

为了初步研究泥沙直径和浓度对混流式水轮机转轮内部流场与性能的影响,本文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全流道数值模拟,通过控制变量法研究不同来流泥沙直径和浓度对转轮叶片表面泥沙分布、平均压力和水轮机效率的影响。结果表明:含沙水较清水会不同程度使叶片表面水压力载荷增加,效率下降,在相同工况下转轮叶片进水边和出水边与下环连接处泥沙浓度较高;随着泥沙直径的增加,泥沙分布更加集中,磨损加剧。该研究可为含沙水流中运行的水轮机转轮设计提供参考。     

超低水头两叶片灯泡贯流式水轮机固液两相流研究

超低水头贯流式机组无论在电站增容改造方面,还是在超低水头开发方面,都具有巨大潜力。然而,水流中裹挟的泥沙会对机组运行产生不利影响,在汛期尤为严重,研究泥沙磨损问题对于机组的稳定运行具有重要意义。基于CFX平台,使用k-ε湍流模型,拉格朗日颗粒跟踪模型和Tabakoff and Grant磨损模型对2.1m超低水头下的两叶片灯泡贯流式水轮机进行了固液两相流数值模拟计算。通过实验验证数模计算的可靠性,对比单相及两相流工况下的涡流特性,探究不同泥沙浓度(Cv=1%～10%)、颗粒直径(D=0.1～1mm)对过流部件磨损位置、侵蚀率以及流动特性的影响。结论如下：在清水中加入泥沙颗粒后,泥沙颗粒对旋涡有增强作用;导叶凹面,叶片正面进水侧头部、叶片出水边、叶片轮缘,以及转轮室都是比较容易遭受磨损的部位;随着泥沙颗粒浓度、直径的增加,导叶、叶片及转轮室的磨损面积、磨损程度以及最大磨损率都呈上升趋势;相较于导叶,叶片和转轮室的磨损程度更为严重,在汛期运行时要更加注重磨损防护。     

混流式水轮机转轮密封间隙值对机组稳定性的影响

针对混流式水轮机转轮密封间隙所引起的自激振动的问题,本文采用计算流体动力学软件CFX,基于N-S方程和RNGk-g湍流模型,通过对含转轮上冠密封间隙及下环间隙的某水电站原型水轮机进行三维全流道数值计算,根据不同上冠密封间隙值的压力变化规律,提出了转轮上冠密封间隙值的稳定区和非稳区概念;分析了下环间隙对水轮机转轮进口和尾水管进口压力的影响,得出了在密封间隙的影响下转轮进口和尾水管进口的压力分布规律.为水轮机组在设计和运行时避免自激振动提供了一定的参考依据.     

涡带工况下混流式水轮机转轮动应力特性分析

近年来，国内一些大型混流式转轮出现了不同程度的裂纹问题，对机组安全运行构成了威胁。研究表明，水力激励引起的混流式水轮机转轮叶片动应力是引起叶片疲劳破坏的主要原因之一。文中首先对高水头小负荷的涡带工况下混流式水轮机内流场进行非定常CFD计算，得到涡带工况下叶片表面不同时刻的水压力载荷，并利用流固耦合方法对转轮进行结构场瞬态特性计算，分析转轮叶片的动应力特性。结果表明由于水压力脉动引起的转轮叶片上的振动交变动应力是混流式水轮机疲劳破坏的主要原因之一。计算结果可为其它水轮机转轮的动应力特性分析和疲劳分析提供参考。