（动力机械及工程专业论文）中小型混流式水轮机导水机构内部流场分析与研究.pdf

两华火学硕七学位论文 中小型混流式水轮机导水机构内部流场分析与研究 动力机械及工程专业 研究生王旭指导教师张礼达 水轮机过流部件内部流场分析是水轮机优化设计的关键步骤之一，只有 在较为真实地反映出水轮机内部流动规律的情况下，才能在此基础上提出优 化方案，从而提高水轮发电机组的性能。本文在针对某1 0 m w 立式混流式水 轮机的过流部件之一一导水机构进行内部流场分析。在已知的导叶相关参数 基础上，利用a u t oc a d 和u g 对流场进行三维实体建模。最后，应用f l u e n t 软件对最大开度工况、最优工况以及小开度工况三种情况进行内部流场分 析。 本文在针对内部流场分析的过程中，控制方程为采用雷诺时均n s 方 程，并以r n gk e 模型使方程组闭合，计算区域网格采用非结构化六面体 网格，边界条件采用速度进口，压力出口以及壁面边界；近壁流动应用壁面 函数法处理；从速度和压力分布的角度研究和探讨了各工况下导水机构内部 流动的特性，为提高其性能提供可靠的科学依据。经分析和数值模拟结果显 示： 1 、导水机构内部流场的速度压力分布都是均匀变化的( 速度是均匀增大， 压力均匀减小) ，且在圆周方向都具有良好的对称性。 2 、活动导叶的出口边容易产生低压区从而导致气蚀。 3 、导叶开度对水轮机的效率有一定的影响，在最优工况正背面压差最小， 水力损失最小；偏离最优工况，压差和水力损失都会增加。因此，新研究开 发的导叶，应通过模型试验或数值实验寻求最优开度。 关键词：混流式水轮机：导水机构；建模；流动分析 两华大学硕十学位论文 t h ef l o wa n a l y s i sf o rg a t eo p e r a t i n gm e c h a n i s mo fm i d d l ea n d s m a l ls i z e df r a n c i st u r b i n e p o w e rm a c h i n e r ya n de n 酉n e e f i n g m d c a n d i d a t e ：w a n gx us u p e r v i s o r ：z h a n gl i d a t h ef l o wa n a l y s i sf o rf l o wp a s s a g ec o m p o n e n t so ft u r b i n ei st h ek e ys t e po f t u r b i n eo p t i m i z a t i o n b a s e do nt h ef l o wr u l e sa r er e a lr e f l e c t e d ，w ec a np r o p o s e t h eo p t i m i z e ds c h e m ei no r d e rt oi m p r o v ep e r f o r m a n c eo ft u r b i n e t h ep a p e r a n a l y z e df l o wf o rg a t eo p e r a t i n gm e c h a n i s m o fi o m wv e r t i c a lt u r b i n e o nt h eb a s i so ft h e k n o w np a r a m e t e r , t h e3 dm o d e l i n gi sb u i l tb yu ga n dc a d f i n a l l y , t h ep a p e ra n a l y z e d f l o wo fc o n d i t i o n s ( m a x i m u mo p e n i n g 、o p t i m u mo p e r a t i n gc o n d i t i o na n ds m a l l o p e n i n g ) i nt h ep r o c e s so ff l o wa n a l y s i s ，t h ep a p e ru s e u n c o u p l e di m p l i c i t 、c h o o s et h e s t a t i o n a r yc o n t i n u i t ya n dr e y n o l d sn s a sg o v e r n i n ge q u a t i o n s f i n a l l y , t h e e q u a t i o n sc l o s u r e db yr n gk - - e t h eg r i d so fc o m p u t a t i o n a ld o m a i na r e c o o p e r t h em e s hg e n e r a t i o na c h i e v e di ng a m b i t t h es e l e c t i o no fb o u n d a r y c o n d i t i o n sa r ev e l o c i t y _ i n l e t 、p r e s s u r e _ o u t l e ta n dw a l l t h ew a l lf u n c t i o nm e t h o d i s a d o p t e db yn e a r w a l lt r e a t m e n t t h ef i n i t e v o l u m em e t h o d ( s e c o n d - o r d e r u p w i n d ) a p p l i c a t e di ne q u a t i o nd i s p e r s e da n dt h es i m p l e ca p p l i c a t e db y c o u p l i n gb e t w e e np r e s s u r ea n dv e l o c i t y f i n a l l y , t h ep a p e rg e t st h ev e l o c i t ya n d p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n de x p l o r e dt h ef l o wc h a r a c t e r i s t i c si na l lt h ec o n d i t i o n s s ot h er e s u l t sp r o v i d ee v i d e n c ef o ri m p r o v i n gp e r f o r m a n c e t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h e r ea l et h r e ep o i n t s ： 1 、t h ef l o wv e l o c i t ya n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no fg a t eo p e r a t i n gm e c h a n i s ma l e u n i f o r mc h a n g i n g ( v e l o c i t yd e c r e a s i n ga n dp r e s s u r ei n c r e a s i n g ) ，a n dh a sag o o d s y m m e t r ya l o n gt h ec i r c l e 2 、t h em e i o b a rr a n g ew a sl i a b l et ob eo c c u r r e di nt h et r a i l i n ge d g eo fg u i d e v a n e ，a sar e s u l t s ，t h ec a v i t a t i o nd a m a g eh a p p e n e d n 3 、t h eg u i d ev a n eo p e n i n gc o u l da f f e c te f f i c i e n c y , t h ep r e s s u r ed i f f e r e n c e b e t w e e np o s i t i v ea n db a c ko fg u i d ev a n ei s m i n i m u mi no p t i m u mo p e r a t i n g c o n d i t i o n ，a n da l s ot h eh y d r a u l i cl o s s a n di na n yo t h e rc o n d i t i o n s ，t h ep r e s s u r e d i f f e r e n c ea n dh y d r a u l i cl o s sw i l li n c r e a s e s ot h en e w l yd e v e l o p e dg u i d ev a n e s h o u l db es e e kf o rt h eo p t i m u mo p e r a t i n gb ym o d e lt e s t k e y w o r d s ：f r a n c i st u r b i n e ；g a t co p e r a t i n gm e c h a n i s m ；m 。d e l i n g ；f l o wa n a l y s i s m 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特另l j j j n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的成果，也不包含为获西华大学或其他教育机构的学位 或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文 中作了说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签名： o 月0 2 同 月乡同 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留，使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密函适用本授权书 ( 请在以上口内划4 ) 学位论文作者签名：王旭 日期：挪仟日嘘2 j 9 i 指导教师签名： 日期： - 3 两华大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及名称 1 1 1 课题来源 本课题来源于四川省科技厅应用基础项目( 0 4 j y 0 2 9 0 5 4 ) 1 12 课题名称 中小型混流式水轮机导水机构内部流场与研究 1 2 课题研究的背景、目的和意义 1 2 1 课题研究的背景 水能不仅是清洁能源，而且是可再生能源。我国是一个水能资源十分丰 富的国家，水能资源位于世界第一( 图1 - 1 ) ，全国水力资源理论蕴藏量为 6 8 x 1 0 8 k w ，可开发资源的装机容量为3 7 8 x 1 0 。k w l l i 。截至2 0 0 8 年，全国 水电装机规模已达到1 4 5 x 1 0 。k w ，到目前为止已开发不到2 5 。根据我国 能源规划。未来1 5 年国家将加快流域的水电梯级开发力度。2 0 2 0 年以前， 我国的水电装机将达到3 亿千瓦，装机容量将占全国电力总量的2 6 左右l “。 然而，水轮机是整个水电站的核心设备，其能否稳定运行直接关系到水电工 程的经济效益。 一 鬻 图1 - 1 我国水利瓷源分布图 f i g , 1 1 t h ed i s t n b u t i n n o f w a t e r 他s o u r c e i n c h i n ：t 两华大学硕十学位论文 水轮机按照工作原理的不同，分为冲击式和反击式两大类。冲击式水轮 机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能 向机械能的转换：反击式水轮机的转轮在水流中受到水流的反作用而旋转，工 作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能向机械能的转换。 混流式水轮机，属于反击式水轮机1 3 j 。由美国工程师j b 弗朗西斯( f r a n c i s ) 于1 8 4 9 年发明，故又称为f r a n c i s 水轮机。在混流式水轮机中，水流径向流 入、轴向流出。与轴流转桨式相比，混流式水轮机结构简单、最高效率高 最 高效率有的己经超过9 5 】，适用的水头范围宽( 为5 - 7 0 0 米，但采用最多的 是4 0 一3 0 0 米1 【4 j 。世界上水头最高的混流式水轮机安装于奥地利的罗斯亥克， 水头为6 7 2 米，单机功率为5 8 4 兆瓦；世界上装机容量最大的三峡水电站， 使用的也是混流式转轮，其单机功率达到了7 0 0 兆瓦1 5 j 。混流式水轮机以其 技术成熟、造价低廉，是世界上使用最广泛的一种机型。而目前我国水电站 也是以混流式水轮机应用最多，据文献l 6 j 统计，国内1 3 4 座大中型水电站4 7 9 台水轮机，其中混流式9 2 站3 1 8 台。以上数据表明，我国适用于混流式水 轮机开发的水力资源蕴藏量大，混流式水轮机应用前景广阔，需求巨大。 水轮机是将水能转化为电能的核心部件，也是整个水电站的核心设备。 而导水机构作为水轮机的重要过流部件，其主要作用是使水流进入转轮之前 改变水流的入射角度，调节流量，正常与事故停机时，截断水流。可见，导 水机构直接关系到水轮发电机组能否正常运行1 7 。目前，常用的导水机构有 径向式、斜向式、轴向式三种。其中，径向式导水机构( 图1 2 ) 中的液流 对水轮机轴心以径向沿导叶流动，它的主要特点是导叶旋转轴心线均分布在 与水轮机轴同心的圆柱面上：导叶关闭时不易漏水；导叶的传动机构可在同 一平面上运动。径向式导水机构主要应用于混流式、轴流式水轮机，斜向式 和轴向式导水机构主要应用于斜流式和贯流式水轮机。导水机构的核心部件 是活动导叶，经对水头为4 0 l o o m 的不同比转速水轮机活动导叶的设计计算 表明1 8 】，导叶的弯曲程度( 曲率) 相差甚小。因此，目前大多都采用的正曲 率导叶。目前根据国家标准的导叶型谱，正曲率和对称型导叶已经标准化， 目前在中小型混流式水轮机中广泛应用。 2 州华人学硕十学仲论文 窿蓼 l ，卜卜誊帮一 | 攀10 | | 1 2 释向式导水机构 f i 9 1 - 2 t i l er a d i a ld i s t r i b u t o r 水轮发电机组在运行过程中出现的问题多数是由水力因素造成，其内部 水流运动十分复杂，不同方向上有不同的压力梯度。困此，对水轮机过流部 件进行流场模拟，对于提高机组的效率、改善汽蚀性能以及增强机组运行的 稳定性都有举足轻重的意义。上个世纪八、九十年代开始，计算流体力学 ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s 。简称c f d ) 丌始成为流体机械研究的一种 重要手段。利用c f d 技术对流体机械进行内部流场模拟，找出过流部件在 不同工况点下的内部流动规律以及影响其性能的主要固素，并在这个基础上 开发出性能优良的新水力模型，已经成为水力机械开发、研究的基本手段之 一。与传统的只靠试验的方法相比，这种方法不仅可以快速开发出高性能的 水力模型，太大缩短产品开发周期；而且大幅度地降低了开发成本具有巨 大的经济和社会效益。 1 2 2 课题研究目的和意义 由于对混流式水轮机的研究大多集中在转轮、蜗壳和尾水管等过流部件 的内部流场模拟上，对于研究导水机构的流场模拟却相对较少。作为导水机 构的核心部件活动导叶，大量的研究和经验表明：水轮机的稳定性和汽蚀性 能与活动导叶以及导叶正面和背面的流动是密切相关的。9 0 年代以来投产的 一大批中小型混流式机组，在运行中先后出现了不同程度的稳定性问题。从 州华人学硕十学位论文 水轮机的破坏情况中可以发现导叶区的磨损部位和磨损型态基本相同，通常 导叶头部和尾端破坏较严重，有局部穿透或缺角；外侧存在顺流方向的鱼鳞 坑。上部抗磨板有均匀磨低现象，下部抗磨板表面则密布鱼鳞坑和沟槽( 图 1 - 3 ) 。困此，有必要对水轮机导水机构内部流场进行分析研究，以揭示导 水机构内部流动的规律。为导水机构的优化设计和提高水轮机的稳定性提供 理论依据。 鼙1 3 导叶磨损 f i g a - 3 w e a r o ng u i d ev a l l f 1 3 国内外研究现状 水轮机内部流动研究大致经历了从一维，二维，准三维，三维无粘性， 全三维有粘性的发展过程。近年来，水轮机内部流动的数值模拟和性能优化 技术已取得了很大的发展。其研究内容主要包括计算区域的确定与网格划 分，建立描述流体运动的数学模型，选择或发展合适的数值离散方法，在求 解域内对流动方程进行离散并形成代数方程组，代数方程的求解，针对计算 结果分析，返回过流部件的几何模型，再进行数值分析，直至达到满意的结 果h 。目前，比较成熟的流动分析商业软件有f l u e n t ，c f x ，s t a r - c d ， n u m e c a ，a n s y s 等。 9 0 年代中后期，求解正问题基础上的水轮机优化设计逐渐占据主流。目 前，水力机械的c f d 分析在国内外得到广泛应用，尤其在水轮机过流部件 的水力设计中都采用c f d 分析代替部分试验方案的筛选，其中，基于压力- 速度校正的s i m p l e 类型的算法与双方程k f 模型相结合求解叶轮机械的 4 两华人学硕十学位论文 紊流问题在该领域占优。 关于水轮机内部流动的数值模拟，第1 9 ，2 0 ，2 1 ，2 2 ，2 3 等各届l a h r 水力机械会议文集的论文基本上代表了当今世界水力机械领域内部流动的 数值模拟研究现状。大部分都是基于雷诺平均n a v i e r - s t o k e s 方程和k 一紊 流双方程模型，并用有限元或有限体积法进行模拟，计算结果基本上能满足 工程要求。 虽然l a h r 水力机械会议文集的论文代表着当今世界在水力机械领域 内部流动的数值模拟研究现状。但是，水轮机方面的研究也只有单件或部分 联合计算。针对水轮机内部流动的研究仍然是各个单件计算的迭加。由于流 道形状的复杂以及水轮机中动静部件自j 的相互作用，非定常流动是水轮机内 部流动的本质特征。所以进行水轮机内单部件的定常流动计算不能解决所有 的问题。水轮机各过流部件是相互影响，相互联系的。因此，在整体分析过 流部件的内部流动规律基础上，研究过流部件的匹配关系，寻求相互之间的 最佳匹配，进一步提高水轮机的综合性显得十分必要。 中国水轮机行业在水轮机过流部件水力设计方面，一元、二元及准三元 c a d 系统已在混流式水轮机中应用，在轴流式转轮设计中则开发了奇点分布 法c a d 系统。在水轮机内部流动分析和性能预估方面，开发了三维粘性流场 的分析方法，并将转轮压力脉动特性的预测等问题也纳入了研究的范围之 内。 1 4 论文的主要工作 本文的主要研究内容是混流式水轮机导水机构内部流场及特性的分析与 研究。具体的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 进行了广泛的国内外文献资料的搜集和阅读，拓宽了在水轮机c f d 领域的专业知识水平，确定了论文研究的方向和采用的技术路线。 ( 2 ) 通过对东风电机厂有限公司、铜街子水电站等企业进行调研，加 深了对水轮机各过流部件的认识，同时也为论文的建模工作奠定 了基础。 ( 3 ) 采用三维设计软件u g 建立了不同工况点下的混流式水轮机导水 机构内部流场的三维实体模型。 ( 4 ) 通过对不可压粘性流动数值求解理论和方法的分析、理解与消化， 5 两华大学硕十学位论文 提出了适合于混流式水轮机导水机构内部粘性流动的数值求解方 法。 ( 5 ) 在g a m b i t 软件中进行网格划分，导入专业流体计算软件f l u e n t 求 解计算。得到了不同工况点下导水机构内部流场的速度和压力分 布等。为导水机构的优化设计和提高水轮机的稳定性提供了理论 依据。 6 两华人学硕+ 学位论文 第2 章水轮机导水机构内部流场三维实体模型的生成 2 1 常用三维实体建模软件介绍 f l u e n t 软件的前处理器g a m b i t 本身虽然提供了几何建模功能，但 一般只能完成不太复杂区域的几何建模。对于复杂区域的几何建模问题，特 别是三维c f d 问题，并不是很有效，因此，需要借助专用c a d 软件来完成 几何建模。 2 1 1a u t oc a d a u t o c a d 是由美国a u t o d e s k 公司推出的专门用于计算机绘图设计工 作的软件，主要在微机上运行，在机械和建筑设计等领域具有突出特色。它 是当今世界上最为广泛应用的计算机辅助设计软件之一，不但具有强大的绘 图编辑功能，而且还具有开放的体系结构，易于对其进行二次开发。在经过 了十多次版本升级之后，自1 4 0 版本开始，a u t o c a d 的绘图功能更加强大， 手段更加灵活。它可以将用户与设计信息、用户与设计群体、用户和整个世 界紧密地联系在一起，提高用户的设计效率，发挥用户的创造能力，帮助用 户把理想和构思转化为现实。但a u t o c a d 作为商业性的通用绘图软件，专 业性差，不能直接快速精确地绘制某些标准零件。用户在应用过程中要对其 进行一定程度的二次开发，使其成为符合自身需要的绘图软件 1 0 - n j 。 二维作图是a u t o c a d 的基本应用，但a u t o c a d 三维作图功能却提供了 展现设计构想及用立体的眼光观察设计结果的工具，在三维空间观看实体能 给你一个真实形状和构造的感觉。a u t o c a d 软件最强大的功能是平面设计 功能，可用于机械设计和建筑设计。它的平面设计功能与早期工程设计图要 求保持了较密切的联系，这从a u t o c a d 的完善的平面绘图功能和文本编辑 功能可以看出。可以说，a u t o c a d 的平面设计功能是如此强大，以致于它 的三维设计功能几乎被埋没。 2 1 2u g u n i g r a p h i e s 软件【1 2 j ( 简称o g ) 起源于美国麦道飞机公司，是一个交互式 c a d c a m ( 计算机辅助设计和计算机辅助制造) 系统，主要在工作站上运行。 u g 的c a d 功能实现了目前制造行业中标准的工程技术、设计和绘画功能的 自动化；而其c a m 功能是在设计完成之后，输入制造信息( 例如刀具直径、 7 两华人学硕士学位论文 切削用量等) ，就可以自动生成一个刀具位置源文件( c l ，s f ) ，该文件可用来 驱动任何数控机床。 u g 是一个全三维、双精度系统，可以用它来精确地描绘任何几何形状。 通过组合这些形状，可以建立各种复杂程度产品的三维参数化实体装配模型 和部件详细模型，自动生成工作图纸( 半自动标注尺寸) ；设计小组间可以 进行协同设计；可应用于各行业和各种类型产品的设计，支持产品外观造型 。设计。所设计的产品模型可进行虚拟装配和各种分析，省去了制造样机的过 程。 主要功能及特点： ( 1 ) 无缝集成的产品丌发环境 u g 是一个集c a d 、c a e 、c a m 于一体的集成化计算机辅助设计系统， 可以完成从产品概念设计、外观造型、详细设计、图纸生成、运动与受力受 热分析、零件数控加工程序的自动生成、设计与使用文档的建立等的全过程， 甚至还可以对生产过程进行管理。 整个系统采用统一的数据库，使得各模块能完全相关地共享零件和产品 模型的数据，减少了同类型数据的重复，也为协同工作提供了基础。 ( 2 ) 基于装配的产品设计技术 从整体的产品概念出发开始产品的设计过程。从装配出发，通过应用主 模型方法、自顶向下的设计方法和上下文设计，可以从产品总体设计入手， 逐步详细设计出每一个零件。 ( 3 ) 全局的相关性 同一模型文件中，各几何对象之间保持完全的相关性。 通过装配建模和部件间的链接技术，可以利用各零件间的相互参照，实 现不同模型文件之间的相关性。 通过应用主模型方法，可以使集成环境中各应用模块之间保持完全的相 关性。 ( 4 ) 协同工作 设计过程中，在i n t e r n e t 技术的支持下，可以多人异地协同工作，每人 负责自己的设计任务。在各自的设计任务与访问权限下，同一产品的不同设 计阶段甚至加工阶段可以同时进行，系统完成产品的自动更新。不同的设计 8 两华人学硕十学位论文 人员和工程师都可以在同一时间对产品范围的不同零件、不同组件和不同子 装配进行工作。这就意味着某个设计人员在产品上的改动可以立即被所有的 产品相关人员捕捉和获得。 ( 5 ) 基于知识的专家设计模块 为了进一步提高设计质量与效率，u g 利用知识驱动的方法，集合了设 计专家的智慧，针对具有通用性的不同产品设计了多个智能化的模块，并且 还在逐步增加这些模块。目前已经开发的智能模块有：主要针对塑料模具设 计的模具向导( m o l d w i z a r d ) 、主要针对齿轮传动装置设计的齿轮工程向导 ( g e a re n g i n e e r i n g ) 、主要针对金属冲压模具的冲模工程向导( d i e e n g i n e e r i n gw i z a r d ) 等。 同时，还提供了知识融合工具( k n o w l e d g ef u s i o n ) ，提供知识驱动自动 化的机制。利用这一工具，公司可以快速和方便地建立一个自己产品的工程 向导模块。 ( 6 ) 满足客户需要的开放式接口 u g 提供了方便而先进的用户开发工具。利用o p e nu i s t y l e 可以定义用 户自己的对话框；利用o p e ng r i p 脚本设计语言，不需太多的学习，用户就 可以进行二次开发；利用o p e na p i 和o p e n + + i 具，用户可以通过c + + 和j a v a 语言进行二次开发，而且支持面向对象程序设计的全部技术。 2 2 导水机构流场三维实体建模过程 2 2 1u g 三维实体建模流程 三维实体建模的方法很多，随着建模特征对象的不同创建过程也不尽相 同，在导水机构流场模型的构建过程中，其基本思想【- ，】可如图2 - 1 的方式所 示。 9 两华人学硕十学位论文 图2 一l 导水机构流场模型构建流程图 f i g 2 1t h ef l o wm o d e lc o n s t r u c t i o no ff l o wc h a r t 2 2 2 导水机构流场模型概况 本文采用立式混流式水轮机的活动导叶为计算模型，水轮机型号： h l l1 0 一l j 一11 0 ，机组的额定出力为1 0 4 2 m w ，其主要参数如表2 - 1 所示。机 组共设2 0 个活动导叶，采用不锈钢整体铸造，其材质为：a s t ma 7 4 3 ：等级： c a 一6 n m 。在水轮发电机组中，表征活动导叶的特征参数有：导叶高度玩，导 叶分布圆直径d o ，导叶数目z o ，导叶开度口。等，其部分相关参数如表2 - 2 所示。 1 0 两华人学硕十学位论文 表2 - 1 水轮机主要参数 t a b l e2 - 1t u r b i n ep a r a m e t e r s 转轮公称直额定水头额定出力额定转速飞逸转速额定流量 径( r a m ) ( m )( m 、聊 ( r m i n )( r r a i n ) ( m 3 s ) 1 0 0 01 2 81 0 4 25 0 07 0 04 5 8 表2 - 2 活动导n 1 部分相关参数 t a b l e2 2g u i d ev a n e s 分布圆直 导叶数目 导叫最人 相对偏心 最人厚度 高度b o 弦长l 径d 0开度口o s 一 ( m m ) z o距o ( m m ) ( m m )( m m ) ( m m ) 1 4 51 0 0 02 04 90 0 3 21 1 42 1 2 2 3 导水机构二维流场建模过程 由于活动导叶是由翼型组成，一般来说，在建立导叶内部流场三维实体 模型之前，首先进行导叶翼型的绘型，然后再通过调整导叶开度a 。和进口角 口；，建立不同工况点下的导水机构流场一i 维平面模型，最后，再将平面模型 导入u g ，绘制成三维实体模型。 本文在导水机构流场模型的构建过程中，主要选择了3 个不同开度口。和 进口角口，工况点进行建模，其中，工况点1 为最大开度工况，工况点2 为最 优工况，工况点3 为小开度工况。其不同工况点下的特征参数，如表2 - 3 所 示。建模的具体过程如下： 两华人学硕十学位论文 表2 - 3 不同：j 二况点_ 卜的特征参数 j l ：况点1上况点2工况点3 进i ：1 角口j 进口角口，进口角口， 导叶开度口o ， 导叶开度口o导叶开度口o ( i r l n ) ( 。)( m m ) ( 。) ( m m ) ( 。) 4 94 5 2 72 81 91 8 ( 1 ) 导叶翼型的绘制 本文采用的对称型导叶，其翼型的绘制过程，主要是通过描述翼型上的 各坐标点的参数生成样条曲线来完成【，l 【拍】( 图2 2 ) 。详细参数设置，如表 2 4 所式。 一 。 j 、i d ； 二 f 霞oo 霄。o1 多) 、 一 、一 m lm 1m 1 m lm 2m 2m 2m 2m 2m 2 ， l l l 2 l 图2 - 2 导叶翼型 f i g 2 - 2g u i d ev a n ea e r o f o i lp r o f i l e s 表2 4 导叶翼型参数 t a b l e2 - 4t h ep a r a m e t e r so fg u i d ev a n ea e r o f o i lp r o f i l e s abcdef g h 5 98 19 61 0 59 17 85 63 1 lm 1m 2 l 1l 2 l 0 6 1 39 61 2 83 87 61 1 41 6 1 0 1 6 ( 2 ) 导水机构流场平面模型的建立 阿华人学硕士学位论文 导水机构流场平面模型，主要是针对活动导叶处于不同工况点下的情况 建立起的流场模型。本文首先建立导叶处于允许最大开度口。和进口角 a i = 4 5 。工况点的流场平面模型，由于该导叶对液流是不增减速度环量的， 所以由 r ：= 丝z o 得： 0 ；l ，即a = a 。 ( 2 1 ) 故绘制出该工况下的流场模型( 图2 - 3 和2 4 所示) 。 图2 - 3 导叶开度和出口角示意图 f i g 2 3g u i d ev a l l eo p e n i n ga n do u t l e ta n g l e 两华人学硕十学位论文 图2 - 4 导水机构流场平面模型 f i g 2 - 4t h ep l a n em o d e lo ff l o w 2 2 4 导水机构流场三维实体模型的建立 在导水机构的二维平面流场模型建立之后，可以将其导入u g ，利用其 自由曲面造型功能构建导水机构的内部流场三维实体模型。由于活动导叶的 所有截面都是一致的，因此，在实现过程中的具体操作是，在工况点1 的流 场平面模型建立好之后，保存到目标盘，然后打开u g 4 0 ，选择菜单“文件” “打开，然后选择保存好的“d w g 文件，此时，在c a d 中的导叶流场平 面模型就成功导入u g 中了，然后在工具栏中选择“拉伸”命令，再在“选 择对象”中选定平面模型，此时，将弹出平面模型拉伸的限制范围，根据表 2 可知，导叶的高度b 。= 1 4 5 m m ，所以在限制范围内输入0 到1 4 5 ( 如图2 5 所示) ，单击确定。从而，完成了对工况点1 内部流场三维实体模型的构建 ( 如图2 6 ) 。 1 4 西华大学硕士学位论文 限制 起始值 结裹僖 曰启用预览 镟l v o m n 围 v 1 4 5 帅k l 图2 - 5 拉伸命令限制 f i g 2 - 5 t e n s i l ec o m m a n d h l 塑l 图2 _ 6 最大允许开度下导水机构流场三维实体模型 f i g 2 - 6 t h e 3 d m o d e l o f m a x l m u m o p e n i n g 将生成的活动导叶内部流场实体模型以p a r 蓝o i l d 格式存盘，完成工况点 坫 梦 鞫 硝华人学硬十学位论文 1 的建模过程。 本文除了对导水机构内部流场进行整体分析外，还要对单个叶片上的速 度压力分和进行分析，由于导水机构在运行过程中，所有流道都是对称的， 所以，本文还选取了每个工况点下的单独流道进行建模，其过程和上述建模 过程一致f 图2 7 2 8 1 。同时，按照上述方法，本文也完成了对工况点2 和工 况点3 的流场建模。 2 j 况点1 单流道平面模型 f i g 2 - 7 t h e i n g l e f l o w c h a m 3 e lp l a n e m o d e l o f p o i n t1 2 - 8 工况点t 单流道三维实体模型 f i g , 2 - 8 t h es i n g k f l o w c h a n n e l 3 d m o d e lo f p o i n t l 2 3 本章小结 本章基于立式混流式水轮机的活动导叶相关参数，在a u t oc a d 内， 通过描述导叶翼型坐标上的参数生成样条曲线的方式，绘制出了导叶翼型。 通过调整开度和进1 3 角，完成了最大开度，最优工况以及小开度下的三个 两华人学硕七学位论文 工况点的导水机构流场二维平面模型的构建，最后，将模型导入u g 中， 定义好导叶高度后，生成了各个工况点下的流场三维实体模型，为后面的 导叶内部流动动力特性分析奠定了基础。 1 7 两华人学硕+ 学位论文 第3 章水轮机过流部件内部流场分析的基本理论及方法 3 1 水轮机过流部件内部流场分析方法 水轮机内部的真实流动是非定常、有旋、三维、粘性、不可压缩湍流流 动，其流动规律可以用n a v i e r - s t o k e s 方程来描述。几十年来人们一直在寻找 适合于水轮机内部流动的数值计算方法。水轮机内部流场计算的发展历史基 本上与n a v i e r - s t o k e s 方程求解技术同步，水轮机内部流动研究经历了从一 维、二维、准三维、三维无粘性，全三维有粘性的发展过程。应用的数值计 算方法包括奇点分布法、有限元法、有限差分法、有限体积法和流线迭代法 笙【1 4 】 寸 。 水轮机内部流动分析可分为无粘流动求解方法和考虑流体粘性的求解 方法【l4 | 。无粘性流动的求解方法可分为势流方法和有旋流动求解方法。有旋 流动求解方法包括基于两类相对流面迭代计算的准三维解法和全三维e u l e r 法。考虑流体粘性的求解方法有无粘主流粘性边界层迭代解法和基于 n a v i e r - s t o k e s 方程的各种湍流模型的计算方法。根据计算资源和数值求解技 术及研究的目的，各种不同的计算模型在水轮机内部流动数值计算中，都得 到了不同程度的应用。 二维势流法和三维势流法：其主要思想是假设流体不可压缩、无旋、无 粘，通过采用有限元法、有限差分法或边界元法求解势函数的方法来获得水 轮机内部的流态，可以在最优工况点得到较合理的压力分布和速度分布。势 流法计算速度较快，对计算机内存要求低，但是由于没有考虑到有旋和粘性 效应，其应用受到限制。 准三维求解法：以1 9 5 2 年吴仲华教授提出的两类相对流面理论为基础。 根据吴仲华教授所提出的著名的三维流动通用理论，水轮机内的三维流动问 题可以转化为多个两类相对流面上的二维流动问题进行迭代求解。假设s 流 面为一组由s ，流面上的轴面流线所形成的旋转面，以等分相邻两叶片间流量 的所谓中一b s ，流面，或流动轴向平均化处理后的所谓平均s ：流面与一组墨 流面相互迭代近似求解转轮内的三维有旋流动，得到准三维解，这就是所谓 的准三维方法。准三维方法假定s 流面为旋转面，s ，流面流动轴对称，使 得流动控制方程简化，迭代计算工作量大大减小。准三维方法的数学模型完 1 8 两华人学硕十学位论文 善，所应用的数值计算方法如流线曲率法、有限元法、有限差分法等相对成 熟，在工程设计中使用准三维迭代解就可以达到令人满意的精度，故2 0 世 纪7 0 8 0 年代在流体机械转轮内部流动分析中得到广泛应用，国内外都对其 进行了较为详尽的应用研究 1 5 - j 9 j 。准三维方法可以用于分析转轮、导叶内的 流态，可以在最优工况附近得到较合理的转轮内的速度压力分布，还可以用 于转轮的设计计算。准三维方法虽然考虑有旋效应，但是不能反映三维粘性 效应。 三维e u l e r 法：随着计算机水平的提高和c f d 技术的进步，在8 0 9 0 年 代直接求解e u l e r 方程的数值计算方法得到了运用和发展。由于e u l e r 方程本 身是封闭的偏微分方程组，无需进行模化，方程只包含四个未知量( 三个速 度分量和压力) ，给定初始条件和边界条件即可求解。e u l e r 方程的求解方法 一般采用拟压缩法和压力泊松法，数值离散常采取有限差分法、有限体积法 和有限元法。在最优工况附近可得到较合理的水轮机内部的速度及压力分 布，可用于分析转轮、导叶及其它过流部件内的流态l 驯。三维e u l e r 法考虑 了三维效应和有旋效应，但没有反映流体的粘性效应，因此无法计算水轮机 的水力效率。9 0 年代以来，全三维无粘流动分析方法趋于成熟，国内外学者 在这一领域进行了较深入的研究并取得了一些成果【2 1 谢j ，h k e c h 等应用有 限体积法求解三维三维e u l e r 方程，对所设计的混流式水轮机转轮进行流动 分析，从而对设计进行修正，获得了满意结果。 三维粘性解法：该解法只对流体做了不可压缩假设，能够较真实地反映 水轮机内部的流动状况。该解法是在2 0 世纪8 0 年代后期发展起来的流动分 析方法。三维粘性解法包括无粘主流粘性边界层迭代解法和基于 n a v i e r - s t o k e s 方程的各种湍流模型的计算方法。因直接求解n a v i e r - s t o k e s 方 程需较大的计算机内存并花费较长的时间，而试验证明，对于设计工况附近 水力机械转轮内的粘性水流运动，粘性的影响仅限于固壁边界附近很薄的区 域之内，故而作为简化，工程中常采用无粘主流粘性边界层迭代的粘性计算 方法【l4 。随着计算机和c f d 技术的发展，基于n a v i e r - s t o k e s 方程的各种湍 流模型的计算方法在水轮机内部流动分析中的应用不断增加。三维湍流解法 可以在较大的工况范围内得到较合理的水轮机内部流动的速度压力分布，可 以用于转轮、导叶及其它过流部件内的流动分析，与过流部件水力设计程序 1 9 朗华大学硕十学位论文 相结合，还可以用于水轮机的优化设计及性能预估。目前，各种湍流模型应 用于水轮机内部数值模拟的研究成果不断涌现，湍流理论及湍流模型正在不 断发展和完善中。 综上所述，各种计算模型在水轮机内部流动分析中得到了不同程度的应 用。基于两类相对流面三维流动通用理论的准三维无粘流动分析是较实用和 成熟的计算方法，全三维无粘流动计算对转轮设计及性能预估仍具有实际意 义。三维n a v i e r - s t o k e s 方程方法的研究对揭示水轮机内部复杂的流动现象特 别是对于非最优工况点的分离流动具有重要作用，三维e u l e r 方程和 n a v i e r - s t o k e s 方程求解技术以及湍流模型研究是水轮机正命题研究的发展方 向【l4 i 。 3 2 控制方程的离散 3 2 1 湍流运动的基本控制方程 湍流是空间中不规则和时间上无秩序的一种非线性的复杂流体运动，具 有随机性、扩散性、有涡性和耗散性， 流动现象。湍流运动的实验研究表明， 湍流运动是工程技术领域中最常见的 虽然湍流内部的结构十分复杂，但是 它仍遵循连续介质的一般动力学规律，即仍服从质量守恒定律，动量守恒定 律和能量守恒定律【为- 引。湍流中的流动特征参数虽然都是随着时间和空间的 变化而变化，但是任一瞬时的运动仍然符合连续介质流动的特征，流场中任 一空间应该满足粘性流动的基本方程。因此，基本方程中任一瞬时的参数都 可以用平均量和脉动量之和来代替，并且可以对整个方程进行时间平均运 算。 3 2 1 1 连续方程 不可压缩流体连续方程陋_ ”】： 堕0 a l a s( 3 一1 ) 一 1 一ij 蝇 设瞬时速度表达式为“。一口。+ 雎：，将其代入式( 3 1 ) ，并对方程式取时 间平均，可得到时均流动的连续方程： 2 0 两华大学硕十学位论文 抛f n ju 缸f ( 3 - 2 ) 3 2 1 2 动量方程 不可压缩流体瞬时流动的n s 方程【2 5 埘】为： p 等+ ，考一以一詈+ 肛矗 c 3 其中，p 表示流体密度；p 表示流体压力；表示质量力。 将u ，一“，+ “：和p p + p 代入式( 3 3 ) ，并对方程式取时间平均，整理得 p 等j p i 等- p 耳一警+ 毒卜考一p 丽) 4 ， 此即湍流时均的运动方程，也是著名的雷诺方程( r e y n o l d se q u a t i o n ) 。 与n s 方程比较可以看出在时均各项外增加了脉动流速的三个相关项，这些 脉动相关项称为雷诺应力，共有九项。由推导过程可看出雷诺应力产生于 n s 方程中的非线性迁移项