Numerical Simulation and Design of Spiral CASE for a Low Head Vertical Turbine.pdf

1、日益增長(zhǎng)的能源需求給能源供給帶來了巨大的壓力，所以化石能源在不久的將來終將枯竭。在這種背景下，全世界各國(guó)都十分重視可再生能源的開發(fā)利用，其中水能占據(jù)絕大部分，生物質(zhì)能次之。在水電的開發(fā)過程中，主要以大型混流式和軸流式水輪機(jī)為主，所以本文選取某軸流式水輪機(jī)作為研究對(duì)象。
　　軸流式水輪機(jī)廣泛應(yīng)用于低水頭、大流量場(chǎng)合。但其有效水頭是極低的，所以進(jìn)口流道和導(dǎo)流管的設(shè)計(jì)極其重要。一個(gè)不良的設(shè)計(jì)可能會(huì)導(dǎo)致較高的水頭損失，從而導(dǎo)致整個(gè)部件的效

2、率低下。支墩形狀設(shè)計(jì)不好不僅會(huì)造成效率低，還會(huì)對(duì)空化產(chǎn)生影響，因此在土木工程的項(xiàng)目規(guī)劃階段對(duì)其形狀和中心線的距離應(yīng)當(dāng)仔細(xì)評(píng)估。
　　本文第一部分，調(diào)查分析了尼泊爾水電的發(fā)展現(xiàn)狀以及未來趨勢(shì)，其主要目的在于構(gòu)建尼泊爾水電未來的藍(lán)圖，并為尼泊爾國(guó)內(nèi)外水電的投資者提供必要的信息。具體的調(diào)查分析來源于雜志，報(bào)紙，期刊和相關(guān)書籍的資料。
　　第二部分研究的是蝸殼的設(shè)計(jì)。本研究中，軸流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑為11.5m，流量為1050m3/

3、s。在設(shè)計(jì)完成后用軟件AutoCAD進(jìn)行二維繪圖。18個(gè)截面的位置、大小和形狀通過參數(shù)計(jì)算獲得，在Pro/E中實(shí)現(xiàn)參數(shù)化三維造型。
　　第三部分基于雷諾平均N-S方程和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，采用ANSYS CFX對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，以加速設(shè)計(jì)的進(jìn)程。采用ICEM CFD生成三維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在CFX計(jì)算中，對(duì)三種壁面粗糙度:3mm、5mm和10mm下的最大流量工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)光滑壁面在1倍、0.8倍和0.6倍的最大流量工況下進(jìn)行了

4、數(shù)值模擬計(jì)算。對(duì)于流體從進(jìn)水流道流經(jīng)半螺旋型蝸殼再流出的過程，通過模擬捕捉到以下流動(dòng)特征:
　　(1)在平直段的進(jìn)口流道中，流速緩慢均勻地增加，但進(jìn)入半螺旋型蝸殼后，流速急劇增加。
　　(2)進(jìn)水流道和蝸殼內(nèi)部的平均速度較低并且變化較小，這對(duì)保持較低的水力損失十分重要。
　　(3)蝸殼入口處的壓力場(chǎng)變化較為平緩，重要的壓力變化一般發(fā)生在面積或幾何形狀改變的部位，比如支墩尾部。
　　研究支墩尾部流動(dòng)至關(guān)重要，因?yàn)橥?/p>

5、常存在兩種重要的現(xiàn)象:一是發(fā)生在接近半螺旋型蝸殼出口的部分，水流流速很高，即壓強(qiáng)很低，極易發(fā)生脫流現(xiàn)象;同時(shí)，支墩的存在會(huì)引起支墩后部的尾流導(dǎo)致該處壓力的降低。
　　第四部分側(cè)重于蝸殼水力損失的計(jì)算。每一個(gè)固定部件的水力損失都可由經(jīng)驗(yàn)公式估算。同時(shí)，水力損失主要是和速度和流道的幾何尺寸相關(guān)，由其形狀和表面粗糙度決定，這些參數(shù)均可以通過三維CFD模擬中獲得。所以，通過考慮不同表面粗糙度和不同流量工況，可在模擬中計(jì)算水力損失，并對(duì)通過