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冲击式水轮机喷嘴CFD优化设计.doc
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冲击式水轮机喷嘴CFD优化设计.doc
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I
摘 要
我国是个水资源丰富的国家。作为利用水资源的能量转换设备水轮机,主
要分为两种类型,一种是反击式水轮机,另一种是冲击式水轮机。国内反击式
水轮机已经发展到相当高的水平,但对冲击式水轮机的研究尚显不够,本课题
就其部件之一喷嘴的能量指标而对喷嘴进行了数值模拟。
冲击式水轮机具有高水头没有汽蚀条件条件的限制,调节系统比较简单,运
行操作方便等优点,广泛应用于高水头水电站中。
本文分析了冲击式水轮机的工作原理、能量损失和参数选择,其中着重分
析了喷嘴的结构、工作原理和影响因素;分别介绍了流场分析软件 Fluent 的
计算原理和软件结构,其中重点介绍了其计算原理,从计算流体力学的角度,
再现了 CFD 软件的工作过程及其优缺点;通过以上两方面的理解,为喷嘴的数
值模拟的进一步工作打下基础。
根据喷嘴的结构,编写小程序对喷嘴进行了几何建模;并根据喷嘴的工作
原理和 Fluent 的流场计算原理,对喷嘴进行了数学建模;然后根据其几何模型
和数学模型对喷嘴进行了数值模拟。在计算模型选择上,本课题选择二维轴对
称粘性两相流模型;在边界条件的给定上,借鉴了哈尔滨电机厂的实验数据。
针对喷嘴两相流后处理编写了后处理程序,应用于喷嘴效率的计算,并通
过与传统的方法对比发现,编写的后处理程序计算的喷嘴效率精度明显提高。
通过对喷嘴效率的对比计算发现,喷嘴角度在 90 度附近达到一个极大值。对
喷针表面静压力分析发现,其静压力并不是沿喷针表面平稳下降的,而在喷针
头达到一个极大值,并由此受到启发,分析了喷嘴效率随压力相对行程的关
系。最后,总结分析了喷嘴流量计算公式,改进了流量系数,得出流量系数是
喷针相对行程的三次函数。
关键字: 喷嘴效率;流场计算;喷嘴流量公式;喷嘴优化设计
II
Abstract
It is abundance in water resource in our homeland. Water turbine that is a energy
conversion device of water resource, is mainly include two style. One is impulse
reaction turbine, the other is Pelton turbine. It is high level developing of impulse
reaction turbine in our country. But it is not enough in Pelton turbine. This paper is
mainly about simulation of nozzle which is one part of Pelton turbine.
Pelton turbine that has the merit of on vapor erode restrict in high water head,
simpleness in adjust system, convenience in running etc. has used generally in high
level water and electricity sate.
It analyses work principle, energy lost and parameter choice of Pelton turbine. It
mainly analyses structure, work principle, and influence factor of nozzle. It introduce
compute principle and structure of CFD software Fluent. It mainly introduce the
compute principle, according to the angle of CFD, reappearance the work process and
well or else of CFD software. It give the element for the following work of simulation
of nozzle through the understanding of above.
According to the structure of nozzle, it set up the geometry modeling of nozzle
through the mini-program. Based on the work principle of nozzle and compute
principle of Fluent, it set up the mathematics modeling of nozzle. Then it synthesize
the geometry and mathematics modeling for simulating of nozzle. This paper choose
two dimension axis symmetry viscosity VOF model, and use for reference the data of
experiment of HEC of boundary condition.
It write a post-processing program of nozzle for efficiency compute. It is
evidence better of precision of efficiency of nozzle by contrasting to result of
tradition method. The nozzle angle has a max. number around 90 degree by
computing efficiency of nozzle. It find out that the static pressure is not decrease
steady by the surface of needle but have a max. number on the pinhead by the
analysis of needle static pressure. According to the simulation result of nozzle, sum
up a formula of flux computing, find out that the coefficient is thrice function of
needle relatively space.
Keywords Efficient of nozzle; simulation of fluid field; flux formula of nozzle; optimize
design of nozzle
III
目 录
摘 要 ...........................................................................................................................I
Abstract ........................................................................................................................II
目 录 ...........................................................................................................................I
第 1 章 绪论 ................................................................................................................1
1.1 课题来源及研究的目的和意义 ........................................................................1
1.2 国内外研究现状及分析 ....................................................................................2
1.2.1 冲击式水轮机喷嘴的研究现状及分析 .....................................................2
1.2.2 数值计算的研究现状及分析 .....................................................................3
1.3 本课题的主要研究内容 ...................................................................................4
第 2 章 冲击式水轮机原理及 Fluent 软件介绍 ........................................................6
2.1 冲击式水轮机概述 ............................................................................................6
2.2 冲击式水轮机的工作原理 ................................................................................7
2.3 冲击式水轮机中的能量损失 ............................................................................8
2.4 冲击式水轮机喷嘴概述 ....................................................................................8
2.5 冲击式水轮机的参数选择 ................................................................................9
2.6 Fluent 软件的理论基础 ....................................................................................10
2.6.1 流场的数学模型概论 ...............................................................................11
2.6.2 数学模型的离散方法 ...............................................................................13
2.6.3 代数方程组的求解 ...................................................................................14
2.7 Fluent 结构简介 ................................................................................................16
2.8 本章小结 ..........................................................................................................16
第 3 章 冲击式水轮机喷嘴数值模拟 ......................................................................17
3.1 喷嘴流动的数学模型 ......................................................................................17
3.2 喷嘴角度的几何计算 ......................................................................................20
3.3 喷嘴几何模型的建立 ......................................................................................23
3.4 计算模型的选择 ..............................................................................................23
3.5 边界条件的设置 ..............................................................................................25
3.6 喷嘴效率计算方法研究 ..................................................................................27
3.6.1 喷嘴效率计算理论 ...................................................................................27
3.6.2 计算结果分析 ...........................................................................................28
3.7 本章小结 ..........................................................................................................32
第 4 章 冲击式水轮机喷嘴 CFD 优化设计.............................................................33
4.1 效率分析 ..........................................................................................................33
4.1.1 实验数据分析 ...........................................................................................33
4.1.2 优化搜索计算 ...........................................................................................34
IV
4.1.3 效率分析结果 ...........................................................................................40
4.2 压力分析 ..........................................................................................................44
4.2.1 流场计算喷针表面静压力分布 ...............................................................44
4.2.2 与效率联系比较之发现 ...........................................................................49
4.2.3 压力分析结论 ...........................................................................................51
4.3 流量系数公式的研究 ......................................................................................52
4.3.1 研究目的及解决思路 ...............................................................................52
4.3.2 原公式计算分析 .......................................................................................53
4.3.3 流量系数公式的拟合 ...............................................................................56
4.3.4 公式总结 ...................................................................................................64
4.4 本章小结 ..........................................................................................................64
结 论 ........................................................................................................................66
参考文献 ....................................................................................................................67
附录一 喷嘴角度计算程序 ......................................................................................70
附录二 喷针角度计算程序 ......................................................................................71
附录三 喷嘴效率计算程序 ......................................................................................72
攻读学位期间发表的论文 ........................................................................................75
哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 ............................................................76
哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 ............................................................76
致 谢 ........................................................................................................................77
V
第1章 绪论
1.1 课题来源及研究的目的和意义
自然界中有很多种能源
[19]
,目前已被利用的能源主要有热能、水能、风能
和核能。水能是一种经济的能源,也是一种相对取之不尽的能源。在利用水能
的过程中,主要用到其中的一种核心机械——水轮机。
水轮机
[17][18]
是一种将水流能量(势能和动能)转换成旋转机械能的动力
装置。能量的转换是借助转轮叶片与水流相互作用来实现的。
根据转轮内水流运动的特征和转轮转换水流能量形式的不同,现代水轮机
分为反击式和冲击式两大类。
反击式水轮机利用了水流的势能和动能。水流充满整个流道,整个流道是
有压封闭系统,水流是有压流动。
冲击式水轮机仅利用了水流的动能。借助特殊的导水装置(如喷嘴),把
高压水流变为高速的自由射流,通过射流与转轮的相互作用,将水流能量传递
给转轮。
根据转轮进水特征,冲击式水轮机
[17][18]
又分为水斗式、斜击式和双击
式。
1889 年美国人培尔顿发明了冲击式水轮机,其特点是从喷嘴出来的射流是
沿着转轮圆周的切线方向冲击在斗叶上做功。其优点是常压工作,不存在空化
问题,只要条件允许,可以使用很高的水头。目前应用最大高达 1776 米。斜
击式与水斗式的不同之处在于水流从喷嘴出来后与水斗的角度有所不同。由于
双击式水轮机的效率很低,但其结构简单,加工制造容易,安装维护方便,所
以除了特别小的电站外很少使用。
高效率一直是各种动力机械追求的目标,冲击式水轮机也一样,因此研究
机械各部分损失意义重大。
冲击式水轮机的损失主要集中在进水管、喷射机构和扩散运动上。分别大
约为 0.60—0.65%、0.35—0.50%、 1.0—5.0%。由于进水管扩散的损失已经得
到了很好的控制,再提高受到结构等多方面的影响,而目前喷嘴处的设计主要
是依据经验公式,精度比较低,而采用数值计算方法可以在喷嘴形状设计上采
用更为合理的结构,使效率得以提高。
解决物理过程和物理机理的落脚点
[1]
往往是求解描述物理过程和物理机理
的数学物理方程的过程。解决喷嘴优化设计方案也是如此,喷嘴内流动的是
水,深入了解喷嘴流动损失的过程实际上是一个解描述流体运动 N-S 方程的过
程。
N-S 方程是一个复杂的微分方程组,除了很少的一些简化形式外,还没有
一个一般的数学方法可以求解它。目前所做的还只是利用数值计算的方法对其
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南抖北快东卫
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