并行環(huán)境下混流式水輪機非定常流動及補氣的數(shù)值研究.pdf

1、近年來,隨著水輪機單機容量及轉(zhuǎn)輪直徑的不斷增大,大型水輪機的水力振動及葉片裂紋等穩(wěn)定性問題越來越突出。振動和壓力脈動是水力機組穩(wěn)定性運行的主要因素,其中壓力脈動產(chǎn)生于機組運行過程的非定常流場,是引起水輪機組振動及不穩(wěn)定運行的主要水力振源之一。 為了解決混流式水輪機全流道數(shù)值模擬對計算資源的要求問題,搭建了基于windows的一座具有八節(jié)點的并行計算平臺,并對并行平臺的基本工作性能進行了測試,得到了較高的效率,且隨著網(wǎng)格數(shù)量增加,

2、并行效率能夠進一步提高。通過測試結(jié)果說明,在這種小型分布式并行機群上的并行效率是令人滿意的。 本論文利用湍流雷諾時均方程及RNGk-ε湍流模型,完成了混流式水輪機大開度下全流道三維定常湍流計算,獲得了各主要過流部件的壓力、速度等流動特征。并對大開度下同一開度不同單位轉(zhuǎn)速的流動特征和能量性能進行了比較分析,為進一步進行三維非定常湍流計算奠定了基礎(chǔ)。 在定常計算的基礎(chǔ)上,開展了包括轉(zhuǎn)輪和導水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪和尾水管兩級動靜干涉的非

3、定常湍流計算研究,獲得了壓力脈動的振幅和頻率特性。大開度下在轉(zhuǎn)輪前存在一個約為轉(zhuǎn)頻0.235倍的頻率,該壓力脈動的幅值在固定導葉前最高。此頻率是由尾水管內(nèi)低頻壓力脈動向上游傳遞而來的。在轉(zhuǎn)輪葉片出口邊存在約為轉(zhuǎn)頻2倍的壓力脈動主要是由于尾水管進口處的壓力脈動向上游傳遞形成的,約為轉(zhuǎn)頻與葉片數(shù)乘積1倍的壓力脈動主要是流場受到轉(zhuǎn)輪葉片隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)造成的影響。而尾水管內(nèi)部壓力脈動主頻主要集中于肘管,直錐段脈動很小。 在上述研究的基礎(chǔ)上,

4、進一步開展了混流式水輪機頂蓋補氣對水輪機壓力脈動影響的研究。定常計算結(jié)果表明,氣體對轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)影響,主要集中在0～0.4R之內(nèi),在0.4R～1R的范圍內(nèi)的影響較小。導葉開度12時,補氣量0.15％時補氣效果較好；開度10下補氣量為0.1％效果較好。非定常計算結(jié)果表明,補氣對于轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的壓力脈動影響比較大,補氣前后轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動頻率不變,而對幅值影響比較大,使轉(zhuǎn)輪出口的壓力脈動幅值下降約50％左右。使尾水管內(nèi)部的壓力脈動主頻從1.66