（流体机械及工程专业论文）水力透平转轮的水力设计方法研究及其内部流动的模拟.pdf

o i 1 f 、争 产 一i 守 ， t i l _ t h er e s e a r c ho fh y d r a u l i ct u r b i n er u n n e rh y d r a u l i cd e s i g nm e t h o d a n di t si n t e r n a lf l o ws i m u l a t i o n b y l i u y u - y i n g b e ( l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a a i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl ir e n n i a n j u n e ，2 0 1 1 一 p f l 游 产 、 呻 t 卜 6 i ： 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：翻玉7 蛊 日期：必f f 年月寥日 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，即： 学校有权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。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名： 导师签名： 彩星 日期：知“年石月驴日 日期鲥年厂月莎日 l 一 ，a j l 审。 。 硕士学位论文 目录 摘 要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 概烫睦1 1 2 水力透平的发展现况1 1 3 转轮设计方法的研究3 1 4 现存在的问题4 1 5 本文主要工作。4 1 6 采取的技术路线5 第二章c f d 理论及数学模型综述6 2 1c f d 计算基础6 2 1 1 基本控制方程。7 2 1 2 计算区域与控制方程的离散化。7 2 2 湍流数值模拟方法的概述9 2 2 1 直接数值模拟( d n s ) 1 0 2 2 2 大涡模拟( u 珞) 1 0 2 2 3r e y n o l d s 平均法( r a n s ) 1 0 2 3k g 两方程模型1 1 2 3 1 标准k g 模型1 l 2 3 2r n g k s 模型。1 2 2 3 3r e a l i z a b l ek e 模型1 3 2 3 4 采用k s 模型时近壁区的计算问题。1 4 2 4s i m p l e 算法1 4 2 5 商用c f d 软件的介绍1 5 2 5 1f l u e n t 软件简介1 5 2 6 本章小结1 8 第三章转轮参数计算及水力设计1 9 3 1 转轮参数的计算1 9 3 2 转轮叶片的设计方法2 0 3 3 基于二元理论设计方法。2 0 3 3 1 转轮轴面流道的绘制及过水断面面积的检查2 0 3 3 2 轴面流线的绘制。2 2 3 3 3 轴面流速沿轴面流线的分布2 3 3 3 4 速度矩沿轴面流线的分布。2 4 3 3 5 叶型骨线的计算。2 5 3 3 6 叶型骨线的加厚。2 7 3 3 7 转轮叶片木模图的绘制。2 9 3 4 基于一元理论设计方法3 2 一 d l j 1 水力透平转轮水力设计方法的研究及其内部流动的模拟 3 4 1 按轴面流速均匀分布绘制轴面流线。3 2 3 4 2 叶片进出口角及排挤系数的计算3 3 3 4 3 叶片绘型( 保角变换法) 3 4 3 4 4 叶片木模图的绘制3 5 3 5 本章小结3 7 第四章三维模型的建立及网格划分3 8 4 1 叶片三维模型的建立3 8 4 2 网格划分。4 2 4 3 本章小结。4 3 第五章模拟计算及其结果的分析。4 4 5 1 边界条件的设置4 4 5 2 数值模拟计算及结果4 5 5 2 1 二元理论设计转轮的模拟计算4 5 5 2 2 二元理论和一元理论设计转轮的模拟结果比较5 4 5 3 本章小结6 0 结论与展望6 1 参考文献一。6 3 j l l 谢6 7 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 6 8 一 硕士学位论文 摘要 水力透平( h y d r a u l i ct u r b i n e ) 是利用高压液体驱动转轮转动，将液体的压能 转换为透平的机械能的能量回收装置。水力透平可回收高达7 0 一8 0 的流体能 量，通常适应于压差大、流量小且稳定的工艺流程中。水力透平可驱动发电机发 电，也可作为原动机直接驱动工作机空气j 原料气等压缩机。用水力透平回 收上述剩余能量是很有价值的，水力透平是工厂节能降耗的关键设备，也是目前 所提倡的循环经济的核心设备之一。随着各行各业节能意识的提高，对再生能源 利用的重视，作为二次能源回收效果俱佳的机械水力透平必将发挥更大的作 用，应用在更多的领域。 目前，从了解的情况看，各企业使用水力透平回收能量效果不错，但国内机 型的可靠性存在不足，因此大型化工企业多用进口水力透平。且随着能源价格的 提高，在石油化工，石油加工、化肥、海水淡化等行业中，许多企业为节约资源， 提高竞争力，加大了对能量回收技术研究的投资。故利用叶片式水力机械原理设 计开发出结构简单、高效、稳定可靠的能量回收装置具有重要的现实意义。一方 面能为节能减排、建立资源节约型社会做出贡献；另一方面对水力透平设计理论 的研究也将是对水力机械设计理论的补充。 本文所做的主要工作有： 1 ) 参考双吸泵的结构型式，以混流式水轮机转轮的设计为依据，在给定的 参数下分别用不同设计方法( 元理论设计方法、二元理论设计方法) 设计出结 构类似双吸泵转轮的水力透平转轮，并建立了水力透平的转轮三维模型及其他过 流部件的三维模型。 2 ) 借助c f d 软件，采用标准k 一湍流模型，以清水为介质，在最优开度下， 用三种工况点( 0 8 0 、1 0 q 、1 2 q ) 对两种不同设计方法初次设计的转轮内部流 动进行了全流道定常模拟计算。通过分析其内部三维流动机理，预测了水力透平 转轮的性能。依据模拟结果和分析其流态、流场分布情况，再联合c a d 技术， 对初次设计的转轮进行了多次改进，最终得到的了水力性能良好的转轮模型。同 时也验证了所设计的转轮结构是可行的、合理的。 3 ) 将改进后的两种不同的转轮在不同的工况点下进行了模拟计算，分析比 较出两种不同设计方法所设计转轮的内部流动状况，找出合适水力透平转轮的设 计方法，为水力透平机转轮的设计提供了合理、可靠的依据。 关键词：水力透平；转轮；水力设计；c f d ；内部流场 ， 水力透平转轮水力设计方法的研究及其内部流动的模拟 a b s t r a c t h y d r a u l i ct u r b i n ei s a ne n e r g y - r e c y c l i n ga p p l i a n c e , w h i c ht r a n s f o r m st h e p r e s s u r ee n e r g yo ft h ef l u i di n t ot h em e c h a n i c a le n e r g yo ft h et u r b i n et h r o u g ht h e r o t a t i n go ft h ei m p e l l e r , t h eh y d r a u l i ct u r b i n ec a nr e c y c l e 弱m u c ha s7 0 8 0 0 f t h et o t a lf l u i de n e r g y , a n dc a nb eu s e di nt h ec a s eo fh i g hp r e s s u r ed i f f e r e n c e ，a n d s t a b l el i t t l e - c a p a c i t yt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e s h y d r a u l i ct u r b i n ec a nd r i v ep o w e r g e n e r a t o r , c a na l s od i r e c t l yd r i v eaw o r k i n gm a c h i n ea sa l le n g i n et oc o m p r e s sa i r , o r o t h e rm a t e r i a lg a s e s i ti sv e r yv a l u a b l et or e c o v e rt h ea b o v er e s i d u a le n e r g yw i t ht h e h y d r a u l i ct u r b i n e t h eh y d r a u l i ct u r b i n ei st h ek e yc o m p o n e n ti nt h ee n e r g ys a v i n g s y s t e mo faf a c t o r y , a n di ti st h ec o r ee q u i p m e n to f c i r c u l a re c o n o m ya d v o c a t e dm u c h w i t ht h ee n h a n c e m e n to fe n e r g ys a v i n gc o n s c i o u s n e s s 在o ma l lw a l k so fl i f e ，a n dt h e m o r ea n dm o r ea t t e n t i o no nr e n e w a b l ee n e r g yu t i l i z a t i o n ，t h eh y d r a u l i ct u r b i n ew i l l t a k eam o r ei m p o r t a n tp a r ta n db ea p p l i e di nm o r ea r e a s 弱ag o o de n e r g yr e c o v e r i n g a p p l i a n c e p r e s e n t l y , a sf a ra sw ek n o w , t h ee n e r g yr e c y c l i n ge f f i c i e n to ft h eh y d r a u l i c t u r b i n e si nv a r i o u se n t e r p r i s e si sg o o d t h er e l i a b i l i t yo ft h ed o m e s t i ct u r b i n e si s i n s u f f i c i e n t ，t h ei m p o r t e do n e sa r ew i d e l yu s e di nl a r g ec h e m i c a lf e r t i l i z e re n t e r p r i s e a st h ei n c r e a s eo ft h ee n e r g yp r i c e s ，m a n ye n t e r p r i s e si nt h ep e t r o c h e m i c a l ，p e t r o l e u m p r o c e s s i n g , c h e m i c a lf e r t i l i z e r s , s e a w a t e rd e s a l i n a t i o n , e t c , h i g h l y i n c r e a s et h e i n v e s t m e n to nt h er e s e a r c ho fe n e r g yr e c o v e r yt e c h n o l o g yt os a v er e s o u r c e sa n dt o e n h a n c ei t sc o m p e t i t i v e n e s s oi ti ss i g n i f i c a n tt od e v e l o pas e to fe n e r g yr e c o v e r y d e v i c eh a v i n gs i m p l es t r u c t u r e , h i 【g he f f i c i e n c y , s t a b l er e l i a b i l i t yb a s e do nt h e p r i n c i p l e so fv a n eh y d r a u l i cm a c h i n e r y o nt h eo n eh a n d ，i ti s ac o n t r i b u t i o nf o r e n e r g ys a v i n g & e m i s s i o nr e d u c t i o np r o g r a m m ea n dt h ec o n s t r u c t i o no fa “爆o i 嗽 s a v i n gs o c i e t y ；o nt h eo t h e rh a n d , t h er e s e a r c ho nt h eh y d r a u l i ct u r b i n ed e s i g nt h e o r y i sa ni m p o r t a n ts u p p l e m e n tf o rt h eh y d r a u l i cm a c h i n e r yd e s i g nt h e o r y t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ra r e ： 1 ) r e f e r e n c ed o u b l e s u c t i o nc e n t r i f u g a lp u m ps t r u c t u r et y p e s ，b yf r a n ct u r b i n e m e rd e s i g n 弱t h eb a s i s , i nag i v e np a r a m e t e r sw i t hd i f f e r e n td e s i g nm e t h o d r e s p e c t i v e l y ( t h eu n a r yt h c o i yd e s i g nm e t h o d , t h ed u a lt h e o r yd e s i g nm e t h o d ) d e s i g n h y d r a u l i ct u r b i n er u n n e rw h i c h s t r u c t u r ei ss i m i l a rt od o u b l e - s u c t i o nc e n t r i f u g a lp u m p r u n n e r , a n de s t a b l i s ht h eh y d r a u l i ct u r b i n er u n n e rt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e la n do t h e r 。f l o wc o m p o n e n t st h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l s “ 一 硕士学位论文 2 ) u s i n gc f ds o f t w a r ea n ds t a n d a r dk - - ft u r b u l e n c em o d e l , u s i n gw a t e ra s m e d i u m ，u n d e rt h eo p t i m a lo p e n i n gd e g r e e ，w i t ht h r e ek i n d so fo p e r a t i n gp o i n t s ， s i m u l a t i n gs t e a d yt u r b u l e n tf l o wt h r o u g ht h ew h o l ef l o wp a s s a g eo fh y d r a u l i ct u r b i n e m o d e lt h a ti n i t i a ld e s i g n e db yt w od i f f e r e n td e s i g nm e t h o d ，b ya n a l y z i n gt h ei n t e r n a l t h r e e - d i m e n s i o n a lf l o wm e c h a n i s ma n dp r e d i c t i n gt h ep e r f o r m a n c eo fh y d r a u l i c t u r b i n er u n n e r , a n a l y s i si t sf l o wp a t t e ma n df l o wf i e l dd i s t r i b u t i o n s a c c o r d i n gt ot h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e nu n i t ec a d t e c h n o l o g y , t h ei n i t i a ld e s i g nr u n n e rh a si m p r o v e d 0 1 1 m a n yt i m e s ，e v e n t u a l l yg e t t h e w h e e lm o d e lw h i c hh a s g o o dh y d r a u l i c p e r f o r m a n c e a l s ov e r i f i e dt h a tt h ew h e e ls t r u c t u r ei sf e a s i b l ea n dr e a s o n a b l e 3 ) t h ei m p r o v e d r u n n e l sa r es i m u l a t e da td i f f e r e n to p e r a t i n gp o i n t s ，a n a l y z ea n d c o m p a r et h e i n t e r n a l f l o wc o n d i t i o no fd e s i g n e d1 1 d n u e l 8t h a t d e s i g n e db yt w o d i f f e r e n td e s i g nm e t h o d , f i n do u ta p p r o p r i a t ed e s i g nm e t h o do fh y d r a u l i ct u r b i n e r u l m e r ，s oa st op r o v i d et h er e a s o n a b l ea n dr e l i a b l eb a s i sf o rt h ed e s i g nm e t h o do f h y d r a u l i ct u r b i n er u n n e r k e y w o r d s ：h y d r a u l i ct u r b i n e ：w h e e l ；h y d r a u l i cd e s i g n ：c 皿：i n t e r n a lf l o wf i e l d m 硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 我国工业由于设备、技术及管理等原因，能源利用率远远低于许多发达国家， 不仅造成能源的浪费，成本的提高，而且间接增加了环境污染。石油、化工许多 生产工艺流程中，有许多工序的高压流体通过减压阀将其减压到所需的一定的低 压，或者排放的废气流体仍具有较高的压力，在减压和排放的过程中，大量的流 体机械能转化为热能散失在环境中，造成了极大的浪费。为了降低生产成本，节 约资源，提高经济效益，应用和推广节能技术、设备就显得极为重要【l 五l 。 目前对于剩余能量的利用与回收通常采用三种方式：一是使用水进行换热产 生蒸汽，通过汽轮机驱动发电机发电；二是将可燃的气体燃烧，烧锅炉产生蒸汽， 通过汽轮机带动发电机发电；三是使带有大量热能和压力能的气体、水通过水力 透平机做机械功。 水力透平是利用溶液的高位势能转化成动能来推动其运转，帮助工作机做功， 因而是一种能量回收装置，是基于流体机械原理的机械产品，广泛应用于合成氨 脱硫、脱碳工段、海水淡化及石化行业中回收冷却塔中剩余的水能量。水力透平 为旋转式能量回收机，工作原理类似于水轮机，都是将液体能转化为旋转的机械 能。其结构与离心泵相似但作用与泵相反。水力透平能量回收过程是通过透平将 高压流体的压力能转化为轴功，再利用轴功驱动电动机或其它工作机转动，即“压 力能一机械能 。 近年来，国内有十多厂家开始尝试生产水力透平，但使用效果一直不太理想。 产生这些问题的原因有：对水力透平的选型存在误差；水力透平本身的设计就存 在缺陷。当系统流量和压差相同的前提下，不同形状转轮转换能量的效率是不同 的，只有符合流动特性的转轮形状才能将液体的压力能最大限度地转化为动能。 而国内部分生产水力透平的厂家在设计时没能考虑这些因素，这样生产的水力透 平的效率就不能令人满意1 3 1 。为了提高水力透平的效率，就需要从根本上进行水 力设计的研究。有的学者借鉴了水轮机的叶片设计原理，结合泵反转原理，试图 设计出结构简单、高效、稳定性可靠的水力透平机。由此看来，研究水力透平转 轮内部流动机理，寻求到适合水力透平转轮的设计方法是很有必要的。 1 2 水力透平的发展现况 目前，国内外对于流体压力能综合利用技术及装备的研究已经有了很大的发 展，开发研制了众多不同形式的装置。其中的一些装置已经成为产业化产品( 如 美国h p b 公司生产的水力透平增压器) ，被应用到相应的工业领域上，并且取得 水力透平转轮水力设计方法的研究及其内部流动的模拟 了很好的经济效益，这对于企业节约能源、降低成本有很大的帮助。水力透平是 压力能回收领域最早研究开发的技术，应用广泛，几乎所有压力能回收领域都有 水力透平技术的应用1 4 1 。水力透平根据结构上设计的不同，又分为泵叶轮与透平 一体的设计和分体的设计，即一体式设计和分体式设计。 分体式设计的水力透平于上世纪7 0 年代末期、8 0 年代初期进入市场，能量 回收效率较低，有反转泵型( r e v e r s e p u m p ) 、法兰西斯型( f r a n c i s ，混流型) 、 卡普兰型( k a p l a n ，转浆式) 和佩尔顿型( p e l t o n ，冲击式) 。佩尔顿型是一种 设计成熟的压力能回收设备，叶轮是唯一的旋转部件，工作安全可靠，而且其工 作效率受高压流体的压力和流量的影响小。佩尔顿型叶轮形式复杂，机械加工难 度较大，将压力能转换为旋转机械能的效率高达8 0 一8 8 ，但由于必须将旋转机 械能转换回压力能，这导致实际转换效率为6 3 7 6 。目前，国内有的厂家已经 拥有了开发、生产佩尔顿型高效叶轮的能力，哈尔滨电机厂与国外合作，其产品 机械效率已经可达9 3 9 5 的水平。反转泵中叶片离心泵反转运行，其结构简单， 成本较低，设计成熟，但对流量要求比较严格，流量过大过小时，回收效率将大 幅降低，甚至出现无回收情况。该技术目前仍有广泛的应用，但由于技术落后导 致回收效率低下，将逐步被其它技术取代。但由于其设计成熟，成本低，因此仍 在工业领域有较广泛的应用。国外开发的一种径向叶片涡轮水力透平用于取代反 转泵型，主要在叶轮上进行改进，在保证可靠性的情况下，提高了回收效率。佩 尔顿型和反转泵佩尔顿型和反转泵代表了分体式设计水力透平的基本原理和特 点，由于在压力能回收过程中须经过两次能量转换，这直接导致能量的多余损失， 因此回收效率低下，特别是反转泵的回收效率仅为3 0 左右【5 副。 一体式设计的水力透平也可称为新型水力透平，泵叶轮与透平在一个壳体中 以轴相连同步工作，装置设计紧凑，这一设计尽可能减少了中间传动轴的机械能 损失。可以完全独立地工作，脱离了要与高压泵轴或与电机轴连接的束缚，装拆 容易，检修方便。在完成相同的工作任务时，明显地降低了整套装置的一次性资 金投入，但其价格较贵。新型水力透平对于压力和流量的波动适应性很好，其能 量回收效率基本稳定在6 0 左右，但不适合在处理量低于1 0 r e 3 h 的小流量下工 作，故其小型化困难。新型水力透平在8 0 年代中后期渐渐被广泛应用，以p u m p e n g i n e e r i n g 公司生产的h t c ( h y d r a u l i ct u r b o c h a r g e r ) 为代表。h t c 与 h p b ( h y d r a u l i cp r e s s u r eb o o s t i n g ) 都是一体式设计的水力透平。h t c 专用于海水反 渗透淡化系统，其构造简单且容易安装，h t c 的设计值得注意的是提高了效率、 耐腐蚀性和稳定性，售价与同类产品相比低3 0 。h t c 通过提高流体流道设计和 全面利用计算机数字控制制造技术减少成本的设计令人称道。其应用较早，设计 成熟，故而广泛应用于几乎所有压力能回收领域，：但由于压力能转化过程中需要 两次能量转换，造成多余的能量损失。故而，用高压流体直接冲击透平叶片，通 2 p 矿 硕士学位论文 量曼曼皇曼量量曼量量量量曼葛皇量i 量曼曼曼皇量量皇舅皇皇皇罾| 量皇量量曼曼皇量曼曼曼曼量蔓量鲁量曼曼量量量曼量曼量曼曼曼鼍曼鼍皇曼曼曼曼曼曼皇量詈量曼曼量量 过轴功直接驱动加压泵工作。能量回收效率较分体式设计有一定提高。h p b 其基 本原理与h t c 类似。h t c 和h p b 技术与反转泵等分体式液力透平相比，减少了 中间的机械能损失，提高了能量回收效率，但由于原理上的不足，没有解决需要 机械能中介的情况，仍需两次能量转换，该技术在现有基础上进一步提高效率的 空间已经非常有限【7 - 引。 在国外，对水力透平的研究起步较早，发展较快，研究水力回收透平机组技 术成熟，已经能够生产效率较高的水力透平机。但国内机型的可靠性存在不足，因 此大型化工企业多用进口水力透平。随着技术的快速发展，目前国内厂家已经能 够生产出效率在8 0 左右的水力透平机了。 1 3 转轮设计方法的研究 转轮是水力透平最为关键的核心过流部件，其性能的好坏直接影响整个机组 的性能和运行质量。目前在转轮叶片水力设计上应用比较广泛的是一元理论和二 元理论。无论是一元理论设计方法还是二元理论设计方法都假定液体为理想流体， 转轮前的液流是有势流动，应用设计方法并不完善。所以改进设计方法，提高设 计水平，一直是水力透平转轮设计很重要的工作内容【9 。1 2 l 。考虑到回收，能量的 压力范围和流量，应采用合适的设计方法来设计转轮。 帑 我们知道，转轮内的流动是十分复杂的，实际流动是非定常、三维可压缩、 粘性流动。显然要用数学解析的方法求解是不可能的，因此，在实际的数值求解 过程中，在考虑了真实流体的流动情况之后，作一些近似合理的简化假设，可以 对转轮内部流体流动进行求解。故继传统的转轮水力设计之后水力机械学者把对 水力机械转轮的水力设计重点放在三元理论数值求解上。水力机械内部的三元流 动的理论和计算应归功于我国吴仲华教授的早期奠基性工作。目前的各种三元流 动的问题提出和算法都建立在文献【8 】的基础上，在文献【8 】中吴教授提出了所谓 “两类相对流面 的理论，即s 流面( 它与某一个位于叶栅前或叶栅中z = 常数的 平面的交线是一个圆弧) 和是流面( 它与某一个位于叶栅前或叶棚中z = 常数的平 面的交线则是一条径向线) 。对s 和& 流面的计算采用的方法有下列几种数值计算 方法：奇点法、流线曲率法、有限差分法、有限元法和通流矩阵法等，将其推广 应用则可处理三元流动。该理论对于叶轮内三元流动的理论和计算起着十分重要 的推动作用。目前许多诸如“任定准正交面方法 、“准正交面方法 、“推进 积分方法对粘性流动的纳维一斯托克斯方程进行数值计算 、“k 一模型的叶轮 内部的三元紊流解法 等有关的三元流动理论的计算都基于上述理论。从发展趋 势看，传统的一元理论、二元理论水力机械转轮设计方法已逐渐被准三元和完全 三元流动的设计计算方法所代替。 由于能更真实的模拟转轮内部流动，全三维设计方法己成为水力机械数值研 3 水力透平转轮水力设计方法的研究及其内部流动的模拟 究的重要方向，对进一步提高转轮性能，降低试验成本有重要意义。转轮三维设 计方法的新发展可以基本上分为两大类，一类是正反问题相结合迭代求解的设计 方法，正问题的三维解为转轮的反问题设计提供参考和依据；另一类则主要是从 反问题出发来直接考虑转轮的设计。采用三元流动的计算方法进行设计和校核， 已成为水力机械设计的一个必要步骤。但这类设计方法还存在着不少限制，研究 也进行的相对不够充分，完善并发展全三维设计方法已成为水力机械发展的迫切 需要。以前的设计方法，转轮设计在最优工况点附近进行，此时转轮内部流动比 较稳定，考虑有粘和无粘的差别不大，粘性可以忽略不计。但也有不少转轮，由 于其设计在偏离工况，忽略粘性的作用就必然会对转轮设计产生一定的影响；另 外，由于转轮内真实的流体应该是有粘的，因此，如何在现有的三维设计方法中 加入粘性的作用就成为新的发展方向之一【1 3 2 。 在流体机械领域，对水力机械主要有两种研究开发的方法。传统的方法是先 确定几个方案，然后通过模型试验进行选优。用这种方式开发产品周期长，花费 大，对于中、大型项目是必要和可行的；另外一种方法就是采用c f d 技术，模拟 实际流动，然后进行对比分析达到选优的目的。在国内，运用该方式进行流体机 械研究开发已经积累了一定经验，并取得了一些成果，它已经逐步成为一种重要 的设计手段。据报道，在国外，凭借丰富的c f d 经验，在水力机械领域许多产品 的开发中该方式已经取代了模型试验，并取得了较好的成果。采用c f d 技术具 有周期短、成本低、开发效率高等突出优点。因此，在本课题对水力透平转轮设 计方法的研究过程中，就采用了这种方式。 1 4 现存在的问题 一、国内生产的水力透平的效率较低，对水力透平的选型存在误差，且没有 系统的设计理论。 二、部分大型企业使用进口的水力透平，但价格较昂贵。 1 5 本文主要工作 一、在给定参数下用不同方法( 一元理论设计方法、二元理论设计方法) 进 行水力透平转轮水力设计。 二、根据所做的水力设计进行水力透平转轮三维实体建模并利用相关软件对 其内部流动进行数值模拟。 三、在分析转轮内流场特性的基础上，对转轮水力设计和所建模型进行改进， 然后对改进后的模型再次进行数值模拟。 四、把改进前后的模拟结果进行整理并比较，分析并验证其性能是否得到提 4 硕士学位论文 高，为转轮的改进提供依据。 五、分析用不同设计方法所做转轮改进后的模型的模拟结果，总结用不同设 计方法所设计的转轮的优缺点。为找到比较适合水力透平转轮的水力设计方法提 供依据。 1 6 采取的技术路线 采用的技术路线流程图如下所示： 给定参数 l f 用不同的方法进行转轮的水力设计 l 根据所傲的水力设计，建立转轮的三维实体模型 l 划分阿格，设定边界条件并进行梗拟计算 景 i ， 比较改进莆后转轮模型的模拟结果。在分析内部漉 动特性的基础上，为转轮的改进提供合理的依据 王 比较改进后转轮模型的模拟结果，得出用不同设计方法所做转轮 的优缺点，为寻求较适合水力透平转轮的水力设计方 去提供依据 5 水力透平转轮水力设计方法的研究及其内部流动的模拟 第二章c f d 理论及数学模型综述 2 1c f d 计算基础 目前，解决流体力学问题的方法有三种【2 2 l ：实验测量法、理论分析法及数值 计算法。 一、实验测量法 实验测量法所得到的实验结果真实可信，它是理论分析法和数值计算法的基 础，其重要性是不容低估。它的优点是能直接解决生产中的复杂问题，能发现流 动中的新现象和新原理，它的结果可以作为检验其它方法是否正确的依据。然而， 实验往往受到模型尺寸、流场扰动、人身安全和测量精度的限制，有时可能很难 通过试验方法得到结果。此外，实验还会遇到经费投入、人力、物力的巨大耗费 及周期长等很多困难。 二、理论分析法 理论分析法的优点在于所得结果具有普遍性，各种影响因素清晰可见，是指 导实验研究和验证新的数值计算方法的理论基础。它的缺点是在数学上的困难很 大，往往要求对计算对象要进行抽象和简化，才有可能得出理论解。对于非线性 情况，只有少数流动才能给出解析结果。 三、数值计算法 数值计算法是一种离散近似的计算方法。它是建立在物理上合理、数学上适 定、适合在计算机上进行计算的离散的有限数学模型的基础上的。随着计算机的 速度与容量的提高，计算方法的改进，数值计算得到了巨大的发展。 计算流体动力学( c f d ) 是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体 运动和热传导等物理现象的系统所做的分析。c f d 的基本思想可归结为：把原来 在时间域及空间域上连续的物理量的场，比如速度场和压力场，用一系列有限个 离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点 上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 方法可与传统的理论分析方法、实验测量方法组成了研究流体流动问题 的完整体系，下图为表征三者之间关系的“三维 流体力学示意图。 图2 1 “三维”流体力学示意图 6 硕士学位论文 c f d 方法克服了实验测量和理论分析这两种方法的弱点，在计算机上实现一 个特定的计算，就好像在计算机上做一次物理实验，数值模拟可以形象的再现流 动情景。 采用c f d 的方法对流体流动进行数值模拟，通常包括如下步骤【2 3 l ： 1 ) 建立反映工程问题或物理问题本质的数学模型。具体的说就是要建立反映 问题各个量之间关系的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。流 体的基本控制方程通常包括质量守衡方程、动量守恒方程和能量守恒方程等。 2 ) 寻求高效率和高准确度的计算方法。核心工作是建立离散控制方程，使其 变为方便求解的代数方程。 1 3 ) 编制程序并计算。包括计算网格划分，给定初始条件及边界条件、设定控 制参数等。 4 ) 显示结果并分析。计算结果一般通过图表等方式显示。 其中，离散控制方程、建立起工程上适用的计算模型是进行c f d 研究的关键。 2 1 1 基本控制方程 1 、质量守恒方程： 警+ d i l ，( ) _ 0 ( 2 1 ) 实际应用中，可根据具体情况作简化。如： 1 ) 对于定常运动：暑= 0 ，连续方程为：d v ( f 痞z ) = o ( 2 2 ) 2 ) 对于不可压缩流体：工d t 。o ，连续方程为：d i y v = 0 ( 2 3 ) 2 、动量守恒方程： p 等= p f b + d i y p ( 2 4 ) d i v p = d i v 2 胪一( p + 2 j 1 z d i v v ) i - - d i v ( 2 p s ) 一g r a d p g r a d ( f u r l ，y ) ( 2 5 ) 将本构关系( 2 5 ) 代入动量方程( 2 4 ) 得n a v i e r s t o k e s 方程。 p 警= 以一g r a d p + d i b ( 2 1 心) 一詈刖d ( 肋功 ( 2 6 ) 3 、能量守恒方程： 专争+ d f ，( e y + p y r y + 西) = p 厂v ( 2 7 ) 2 1 2 计算区域与控制方程的离散化 7 水力透平转轮水力设计方法的研究及其内部流动的模拟 对流动问题进行计算之前，首先要将计算区域离散化【2 4 1 ，即对空间上连续的 计算区域进行剖分，把它划分成许多子区域，并确定每个区域中的节点，这一过 程又称为网格生成( g r i dg e n e r a t i o n ) 。生成网格后，就要将控制方程离散化，即 将描写流动过程的偏微分方程及其定解条件转化成为各个节点上相应的代数方程 组。然后在计算机上求解离散方程组，得到节点上的解。当网格结点很密时，离 散方程的解将趋于相应微分方程的精确解。 一、空间区域的离散化 1 、区域离散化的实质与内容 有限体积法是近年来发展非常迅速的一种离散化方法，它的核心体现在区域 离散方式上。区域离散化( d o m a i nd i s c r e t i z a t i o n ) 的实质就是用一组有限个离散 点来代替原来的连续空间。 有限体积法的实施过程是：把所计算的区域划分成许多个互不重叠的子区域 ( s u b d o m a i n ) ，确定每个子区域中节点的位置及该节点所代表的控制容积 ( c o n t r o lv o l u m e ) 。区域离散化过程结束后可得到以下四种几何要素： 节点( n o d e ) 一一需要求解的未知物理量的几何位置。 控制容积( c o n t r o lv o l u m e ) 一一应用于控制方程或守恒定律的最小几何单 位。 界面( f a c e ) 一一它规定了与各节点相对应的控制容积的分界面的位置。 网格