水力機(jī)械內(nèi)部復(fù)雜流動(dòng)的數(shù)值研究與性能預(yù)測(cè).pdf

1、現(xiàn)代水力機(jī)械向著高參數(shù)、高性能和高可靠性方向發(fā)展，一個(gè)穩(wěn)定高效的流場(chǎng)是確保水力機(jī)械具有高性能和使其達(dá)到高可靠性的重要保證。而水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)十分復(fù)雜，由水力機(jī)械內(nèi)部湍流脈動(dòng)誘發(fā)的水力穩(wěn)定性問(wèn)題是決定其運(yùn)行穩(wěn)定性的最主要因素。本文以水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)為研究對(duì)象，對(duì)一單級(jí)單吸離心泵和一混流式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值研究。主要完成了以下幾方面的工作：對(duì)流動(dòng)求解過(guò)程中控制方程組的離散方法，耦合計(jì)算中的加速收斂技術(shù)，非定常流動(dòng)數(shù)值模擬中動(dòng)靜耦

2、合區(qū)域周期性邊界條件，動(dòng)靜滑移界面網(wǎng)格處理方法和動(dòng)靜干涉面上的信息傳遞方法等進(jìn)行了研究。并分別采用了UDS和SUDS對(duì)流項(xiàng)離散格式和RSM、標(biāo)準(zhǔn)k-ε、RNG k-ε和k-ω SST四種湍流模型對(duì)水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以確定適合于模擬本文流動(dòng)問(wèn)題的湍流模型和對(duì)流項(xiàng)差分格式。采用數(shù)值模擬方法分析了不同工況下離心泵內(nèi)葉輪與蝸殼耦合的非定常流動(dòng)，結(jié)果表明由于葉輪與蝸殼的干擾，蝸殼進(jìn)口周向流動(dòng)的不均勻性是非常強(qiáng)烈的，特別是葉輪與蝸舌間的

3、相互干擾最為強(qiáng)烈，一直影響到葉輪進(jìn)口和蝸殼擴(kuò)散管出口的流場(chǎng)，也是離心泵運(yùn)行中部件振動(dòng)和產(chǎn)生噪聲的主要原因；非設(shè)計(jì)工況下具有螺旋型壓水室的離心泵葉輪出口周向靜壓分布不均勻產(chǎn)生徑向力，在小流量工況下靜壓沿周向隨包角的增加而增大，到擴(kuò)散段進(jìn)口處達(dá)到最大，而大流量工況下靜壓沿周向隨包角的增加而減小；在蝸殼內(nèi)整個(gè)流動(dòng)是以旋渦形式向出口推進(jìn)的，并隨包角的變化旋渦表現(xiàn)出復(fù)雜的產(chǎn)生、發(fā)展和耗散的演化過(guò)程，導(dǎo)致蝸殼內(nèi)較大的流動(dòng)損失；離心泵的瞬時(shí)揚(yáng)程隨葉輪

4、與蝸殼相對(duì)位置的不同而表現(xiàn)出較大的變幅，且瞬時(shí)揚(yáng)程的變幅隨著流量的減小而減小。開(kāi)展了離心泵葉輪與蝸殼徑向間隙變化對(duì)離心泵性能影響的數(shù)值研究。對(duì)于不同外徑的葉輪，隨葉輪外徑的減小，最高效率點(diǎn)向小流量方向移動(dòng)；徑向間隙的大小與壓力脈動(dòng)量不呈線(xiàn)性關(guān)系，應(yīng)該存在一個(gè)最優(yōu)的徑向間隙，在揚(yáng)程下降不大的情況下，可顯著改善壓力脈動(dòng)。進(jìn)行了不同型式蝸舌對(duì)離心泵性能影響的數(shù)值研究。對(duì)于三種不同型式的蝸舌，蝸舌型式及相對(duì)位置對(duì)離心泵的性能和運(yùn)行穩(wěn)定性有較大影

5、響。由深舌改為中舌時(shí)可使離心泵的揚(yáng)程有所提高和使水力效率的高效率范圍變寬，且最高效率點(diǎn)向大流量方向移動(dòng):淺舌離心泵擴(kuò)散段內(nèi)的流動(dòng)可能影響離心泵的穩(wěn)定運(yùn)行:中舌和淺舌離心泵運(yùn)行時(shí)，蝸舌附近區(qū)域的壓力脈動(dòng)幅值較小。最后在混流式水輪機(jī)全流道三維定常湍流計(jì)算的基礎(chǔ)上.建立了基于CFD分析的混流式水輪機(jī)性能預(yù)估方法，預(yù)估的能量性能與試驗(yàn)結(jié)果相符，并捕捉到了水輪機(jī)各過(guò)流部件內(nèi)及動(dòng)靜部件間的流動(dòng)細(xì)節(jié)。提出的混流式水輪機(jī)性能預(yù)估方法應(yīng)用于水輪機(jī)的水力設(shè)