沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值模擬及性能研究.pdf

1、沖擊式水輪機(jī)試驗(yàn)表明：真機(jī)效率均低于模型效率，這種反常的趨勢(shì)容易引起從模型試驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)真機(jī)性能的風(fēng)險(xiǎn)性。因此迄今為止，IEC模型試驗(yàn)規(guī)范并不考慮沖擊式水輪機(jī)中的比尺效應(yīng)對(duì)模型和真機(jī)之間的性能換算的影響，其主要原因是對(duì)沖擊式水輪機(jī)復(fù)雜的內(nèi)部流動(dòng)機(jī)理缺乏深入了解。而且，沖擊式水輪機(jī)流動(dòng)存在著復(fù)雜的比尺效應(yīng)，尤其是由射流衰減和射流干涉帶來(lái)的負(fù)比尺效應(yīng)為流動(dòng)研究帶來(lái)了復(fù)雜性。因此，本文致力于在試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方面對(duì)沖擊式水輪機(jī)各種內(nèi)部流動(dòng)細(xì)節(jié)及其

2、能量轉(zhuǎn)化性能的研究，以探討沖擊式水輪機(jī)流動(dòng)的比尺效應(yīng)和性能換算特征。 本文在首先介紹了沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)中管內(nèi)流、自由射流以及水斗繞流等方面的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展。在分析轉(zhuǎn)輪的基本性能、各效率與水輪機(jī)效率之間的關(guān)系基礎(chǔ)上，探討了沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)比尺效應(yīng)的產(chǎn)生根源、作用機(jī)理，尤其是負(fù)比尺效應(yīng)與射流干涉和性能偏移之間的關(guān)系，并提出了新的性能換算法則思想。 沖擊式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)包括了定常、單相的管內(nèi)流和3維非定常氣液二相流動(dòng)

3、。噴嘴管的水力形狀和自由射流的能量質(zhì)量直接關(guān)系到水輪機(jī)的整體性能，為了探明其中的流動(dòng)特征和能量特性，本文通過(guò)對(duì)噴嘴管流場(chǎng)的數(shù)值解析，分析了支持筋板對(duì)管內(nèi)流以及噴嘴出口流動(dòng)的影響；通過(guò)對(duì)自由射流的數(shù)值計(jì)算，詳細(xì)分析了不同開(kāi)度下噴嘴出口的流動(dòng)特征、半自由射流的成因和能量特性，以及自由射流的縮流位置、直徑和能量，并預(yù)測(cè)了自由射流膨脹率。 隨著沖擊式轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，水斗不斷切入從噴嘴射出的圓柱形斷面射流，因此水斗的入射參數(shù)（流量、落點(diǎn)、入射角

4、、切入速度等）也隨著轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)發(fā)生變化。本文采用了動(dòng)畫解析法將非定常流動(dòng)按照時(shí)間順序，離散成動(dòng)畫單元，對(duì)每個(gè)單元通過(guò)拉格朗日法對(duì)流體質(zhì)點(diǎn)的加速度積分，求得了各個(gè)動(dòng)畫單元水斗內(nèi)非定常自由流動(dòng)的流速等分布狀態(tài)，并按照一定的速度將其連續(xù)成動(dòng)態(tài)影像來(lái)模擬水斗非定常流動(dòng)。本文在進(jìn)一步完善非定常水斗內(nèi)部流動(dòng)數(shù)值計(jì)算動(dòng)畫解析法的基礎(chǔ)上，對(duì)水斗內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了模擬，并對(duì)不同型式的水斗流動(dòng)和性能進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)。 由于沖擊式水輪機(jī)的負(fù)比尺效應(yīng)源于自自

5、由射流本身的能量衰減以及水斗缺口出流流量的增加，本文從自由射流的能量衰減出發(fā)來(lái)探討水輪機(jī)能量轉(zhuǎn)化的特征和機(jī)理，首先引入描述射流衰減特征參數(shù)－自由射流膨脹率，并利用圖像分析的方法對(duì)其進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)量。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析分析射流膨脹率對(duì)水斗內(nèi)部流動(dòng)特征、能量轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響，探討了多噴嘴水輪機(jī)中射流衰減與射流干涉中的直接射流干涉和水斗內(nèi)部干涉之間的關(guān)系。 本文闡述了利用沖擊式水輪機(jī)模型試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行了能量試驗(yàn)、飛逸特性試驗(yàn)以及流態(tài)觀測(cè)試驗(yàn)，