【摘要】：我國(guó)水電資源潛力巨大,作為水力發(fā)電的一部分,小水電具有資源分擔(dān)、生態(tài)負(fù)擔(dān)小、技術(shù)簡(jiǎn)單、投資低的特點(diǎn)。雙擊式水輪機(jī)是小水電中被廣泛應(yīng)用的水輪機(jī),它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制作容易、成本低、易于維修,汽蝕性能好及流量使用范圍廣。雙擊式水輪機(jī)的不同結(jié)構(gòu)對(duì)水輪機(jī)的性能存很大的影響,國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)諸多雙擊式水輪機(jī)的形狀、參數(shù)及其對(duì)水輪機(jī)性能的影響研究都取得了一定的進(jìn)展。本文把某雙擊式水輪機(jī)作為研究對(duì)象,應(yīng)用ANSYS CFX仿真軟件對(duì)水輪機(jī)內(nèi)部的三維流動(dòng)以及能量分布進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,在設(shè)計(jì)工況下對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行改型分析,同時(shí)采用優(yōu)化方法設(shè)計(jì)得到葉片的最佳改變量,并對(duì)優(yōu)化后的模型進(jìn)行了三維非定常數(shù)值計(jì)算。本文的主要工作為如下幾個(gè)方面的內(nèi)容:首先,對(duì)雙擊式水輪機(jī)全流道進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分,并對(duì)所用網(wǎng)格進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證。在對(duì)雙擊式水輪機(jī)進(jìn)行定常數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上,對(duì)雙擊式水輪機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)輪改型設(shè)計(jì),改變?nèi)~片的數(shù)目、葉片的直徑比、葉片的頭部安放角并進(jìn)行CFD全流道數(shù)值計(jì)算,研究了轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)、葉片直徑比、葉片安放角分別對(duì)雙擊式水輪機(jī)的流場(chǎng)特性與能量特性的影響。研究結(jié)果表明:當(dāng)雙擊式水輪機(jī)葉片數(shù)為22,直徑比為0.70,葉片安放角為153°時(shí)在效率和出力方面均有明顯的提高,改善了轉(zhuǎn)輪流道的流態(tài),減少了水流能量損失,氣液混合更加充分。第二,為了研究葉片數(shù)、葉片直徑比和葉片安放角這三項(xiàng)轉(zhuǎn)輪參數(shù)對(duì)雙擊式水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特性的綜合影響,得到水輪機(jī)效率最優(yōu)時(shí)的最佳參數(shù)組合,利用徑向基函數(shù)(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型的方法來(lái)優(yōu)化葉片參數(shù)。研究結(jié)果表明:優(yōu)化設(shè)計(jì)后轉(zhuǎn)輪的總體性能有不間程度的改善,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪域流態(tài)得到改善,效率也得到明顯的提高。第三,對(duì)優(yōu)化后的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行全流道非定常數(shù)值計(jì)算,研究了優(yōu)化后的水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動(dòng)特性分布規(guī)律。研究結(jié)果表明:兩種優(yōu)化方案在葉片進(jìn)出口均存在主頻為7.58Hz的低頻壓力脈動(dòng),采用的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案B渦流強(qiáng)度減弱的程度更明顯,核心區(qū)域強(qiáng)度減少,且在水力穩(wěn)定性方面有一定的改善。
【圖文】：

圖 2-4 雙擊式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)模型Fig.2-4 Model cross-flow turbine structure4 中所示，該雙擊式水輪機(jī)模型的參數(shù)如下：徑：D1=0.2m片直徑比：D2/D1=0.67：Z=30n=642r/min噴嘴和機(jī)身的寬度：0.21m頭：H=10m量：Qr =0.1m3/s葉片進(jìn)出口角度的研究不受多因素的影響，噴嘴結(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)模型開(kāi)度處于全開(kāi)的條件下為 0°，且葉片進(jìn)口角1 27.95 ，，出流

(a)噴嘴 (b)轉(zhuǎn)輪圖 2-5 雙擊式水輪機(jī)的主要部件Fig.2-5 The main components of the cross-flow turbine.4.2 網(wǎng)格計(jì)算域的劃分對(duì)計(jì)算域的流動(dòng)計(jì)算分析的過(guò)程中，網(wǎng)格的劃分及質(zhì)量都會(huì)對(duì)結(jié)果有很大的影好的網(wǎng)格質(zhì)量可以減少計(jì)算誤差，提高計(jì)算的速度和穩(wěn)定性，反之，質(zhì)量較差的對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不良的影響，甚至于發(fā)散計(jì)算的迭代過(guò)程。為了研究不規(guī)則區(qū)域中的流動(dòng)問(wèn)題，首先進(jìn)行區(qū)域離散化，根據(jù)數(shù)值求解需求的部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將模型實(shí)現(xiàn)離散化，把其中的控制方程轉(zhuǎn)變?yōu)楦鱾�(gè)離散點(diǎn)方程組，求解然后把求解域分解成可得到精確解的適當(dāng)數(shù)量的單元，生成計(jì)算網(wǎng)法[47]。這對(duì)有限元數(shù)值模擬分析非常重要，直接影響分析結(jié)果的精確性。有限元分利用簡(jiǎn)化的幾何單元，近似逼近連續(xù)體，根據(jù)變形的協(xié)調(diào)條件來(lái)對(duì)其中的綜合求解。一方面要準(zhǔn)確描述各物體的幾何形狀，另一方面也要對(duì)變形梯度準(zhǔn)確描述建立有限元網(wǎng)格模型。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TK730.3

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2530518