中國大部分河流中都含有大量泥沙,運(yùn)行在這些河流上的混流式水輪很容易受到泥沙的沖擊磨損,尤其是葉片靠縫隙處的邊緣磨損更為嚴(yán)重。同時河流中的泥沙也使得更加容易發(fā)生空化現(xiàn)象,隨之產(chǎn)生的空蝕與泥沙磨損聯(lián)合作用于水輪機(jī)葉片,進(jìn)一步導(dǎo)致了更嚴(yán)重的磨蝕,極大地降低水輪機(jī)的效率與水電機(jī)組的穩(wěn)定性。因此,為提高水輪機(jī)的抗空化、磨損能力并改善其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,亟待探究空化、泥沙磨損以及兩者聯(lián)合作用機(jī)理。然而影響空化、磨損及兩者聯(lián)合作用行為的因素十分復(fù)雜,既有速度、壓力等流場參數(shù),又有沙粒和材料特性等,且目前該方面的研究大多聚焦在實(shí)驗(yàn)研究,缺少相關(guān)的數(shù)值仿真研究�；谝陨蠁栴},本文基于數(shù)值模擬方法對含沙水流中混流式水輪機(jī)在清水和含沙情況下的內(nèi)部流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,并進(jìn)一步分析了這兩種不同工況下水輪機(jī)的空化性能,具體包括以下步驟：1)采用UG三維實(shí)體建模軟件對混流式水輪機(jī)的蝸殼、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管的過流通道進(jìn)行實(shí)體建模,并采用四面體、六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分；2)對混流式水輪機(jī)的清水空化進(jìn)行了研究,采用了SST k-湍流模型,結(jié)合基于均值空化流理論的輸運(yùn)空化模型(Zwert-Gerber-Belamri空化模型),對不同進(jìn)口流量、空化系數(shù)和導(dǎo)葉開度工況下的空化模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析；3)對水輪機(jī)含沙空化的數(shù)值模擬來研究空化與磨損的聯(lián)合作用,采用歐拉模型和空化模型來計(jì)算三相的作用,獲得了不同泥沙粒徑和濃度下泥沙磨損與空化的相互影響關(guān)系以及出力變化情況。結(jié)果表明,在清水情況下,隨著進(jìn)口流量的增大,轉(zhuǎn)輪背面靠近下環(huán)出口處的空化區(qū)域先增大后減小,轉(zhuǎn)輪區(qū)的葉道渦先減小后增大,但是沒有引起葉道渦空化。隨著空化系數(shù)的降低,轉(zhuǎn)輪背面的空化區(qū)域逐漸增大。隨著導(dǎo)葉開度的減小,葉片背面的空化區(qū)域逐漸減小,并且在小開度下出現(xiàn)了葉道渦空化。在低于最優(yōu)效率點(diǎn)流量時,尾水管進(jìn)口處出現(xiàn)螺旋渦帶,在高于最優(yōu)效率點(diǎn)流量時,尾水管進(jìn)口處出現(xiàn)泡狀渦帶。在空化工況下,水輪機(jī)的效率比非空化工況下的低。在含沙情況下,隨著泥沙粒徑及含沙濃度的增加,泥沙從葉片背面進(jìn)口處向正面出口處大量聚集。在空化對泥沙磨損的影響上,空化計(jì)算時轉(zhuǎn)輪區(qū)的泥沙濃度會大于等于非空化計(jì)算的泥沙濃度；在泥沙磨損對空化的影響上,隨著泥沙粒徑及含沙濃度的增加,轉(zhuǎn)輪中的空泡含量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在對尾水管渦帶的影響上,隨著泥沙粒徑的增加,水輪機(jī)的穩(wěn)定性會下降。在泥沙磨損對效率的影響上,隨著泥沙濃度的增加,轉(zhuǎn)輪的出力變小。以上對水輪機(jī)內(nèi)部流動特性的研究結(jié)果對提高混流式水輪機(jī)的效率和穩(wěn)定性具有一定的理論參考意義和實(shí)際應(yīng)用價值。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TV734.1;TV136.1
【文章目錄】：
致謝
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 空化的研究進(jìn)展
        1.2.1 空化現(xiàn)象及空蝕破壞
        1.2.2 空化的形式
        1.2.3 空化的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 泥沙磨損研究進(jìn)展
        1.3.1 磨損機(jī)理
        1.3.2 泥沙磨損研究現(xiàn)狀
    1.4 泥沙磨損與空蝕聯(lián)合作用的研究進(jìn)展
        1.4.1 泥沙磨損與空蝕聯(lián)合作用機(jī)理
        1.4.2 泥沙磨損研究現(xiàn)狀
    1.5 主要研究內(nèi)容
2 空化理論基礎(chǔ)
    2.1 壓力系數(shù)和空化數(shù)
    2.2 空化初生與空化核
    2.3 空泡動力學(xué)方程
    2.4 空化物理模型
        2.4.1 直接兩相流模型
        2.4.2 平均化模型
    2.5 含沙空化物理模型
    2.6 本章小結(jié)
3 混流式水輪機(jī)三維清水空化計(jì)算
    3.1 水輪機(jī)三維流道模型的建立
    3.2 網(wǎng)格劃分
    3.3 湍流模型
    3.4 控制方程計(jì)算設(shè)置
        3.4.1 控制方程邊界條件
        3.4.2 求解器設(shè)置
        3.4.3 計(jì)算工況
    3.5 計(jì)算結(jié)果
        3.5.1 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證
        3.5.2 水力驗(yàn)證
        3.5.3 進(jìn)口流量對空化的影響
        3.5.4 空化系數(shù)對空化的影響
        3.5.5 導(dǎo)葉開度對空化的影響
        3.5.6 流量對尾水管渦帶的影響
        3.5.7 空化對效率的影響
    3.6 本章小結(jié)
4 混流式水輪機(jī)三維含沙空化計(jì)算
    4.1 控制方程及邊界條件設(shè)置
    4.2 計(jì)算工況
    4.3 計(jì)算結(jié)果
        4.3.1 泥沙粒徑及濃度對轉(zhuǎn)輪區(qū)壓力的影響
        4.3.2 泥沙粒徑及濃度對轉(zhuǎn)輪區(qū)泥沙分布的影響
        4.3.3 不同泥沙粒徑及濃度對轉(zhuǎn)輪空化的影響
        4.3.4 不同泥沙粒徑及濃度對尾水管渦帶的影響
        4.3.5 不同泥沙粒徑及濃度對轉(zhuǎn)輪出力的影響
    4.4 本章小結(jié)
5 總結(jié)與展望
    5.1 總結(jié)
    5.2 展望
6 參考文獻(xiàn)

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2828648