為改進水泵水輪機S特性曲線,開展了水泵水輪機設計及數(shù)值模擬研究.首先,設計了多個等長葉片轉輪,以研究葉片安放角對水輪機工況效率和S特性曲線的影響;然后,選取一高效率等長葉片轉輪,并應用長短葉片設計,以研究其對S特性曲線的影響.結果表明:選取較小的葉片安放角可增加水輪機工況的效率,但S特性更加突出;而應用長短葉片設計雖然會導致設計工況下的水力效率有所下降,但是S特性得到明顯改進. 

【文章來源】：華中科技大學學報(自然科學版). 2020,48(11)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

水泵水輪機轉輪設計流程表1設計轉輪的幾何參數(shù)0)的運行參數(shù)和幾何參數(shù)輸入三維流體機械設計軟

第11期胡金弘，等：基于數(shù)值模擬改進的水泵水輪機S特性曲線·111·1.2網(wǎng)格劃分及數(shù)學模型網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬均基于計算流體力學軟件STAR-CCM+．整個計算域包括蝸殼、導水機構、轉輪和尾水管，具體如圖2所示．對每個轉輪選取活動導葉開度為23°，計算從水輪機工作區(qū)至水輪機制動工況區(qū)的7個工況點，包括OP1(49L/s，設計工況)、OP2(44L/s，約80%出力)、OP3(39L/s，約60%出力)、OP4(34L/s，約40%出力)、OP5(24L/s，約20%出力)、OP6(14L/s，近飛逸點)和OP7(4L/s，水輪機制動區(qū))．圖2計算流道示意圖邊界條件設置為：蝸殼進口處為流量進口，尾水管出口處為壓力出口，平均靜壓為25.6kPa，與基準轉輪模型試驗的下游邊界條件一致，固體壁面為無滑移邊界，水泵水輪機轉輪為旋轉區(qū)域，給定額定轉速1×103r/min．各計算域之間通過通用網(wǎng)格交界面進行耦合．所有計算均采用非定常計算，對每一個工況點計算15個轉動周期，并根據(jù)最后5個周期的結果取平均，以獲取力矩、水頭等參數(shù)．時間步長設置為0.5ms，對應每個時間步轉輪旋轉3°．內迭代步數(shù)設為15步，以保證在設計工況下每個時間步長的殘差達到1×10-3．求解過程中，采用SIMPLE算法對速度場和壓力場解耦，時間和空間的插值精度均為二階精度，選取SSTk-ω模型(k為湍動能，ω為單位湍動能耗散率)計算內流場特性．網(wǎng)格劃分如圖3所示．對包括蝸殼、導水機構和尾水管等靜止部件內部流道采用切割體網(wǎng)格，對轉輪流道采用多面體網(wǎng)格，其中：切割體網(wǎng)格質量較高且生成速度快；而多面體網(wǎng)格在單個網(wǎng)格單元內擁有較多的計算節(jié)點，對于復雜幾何壁面具有較好的計算穩(wěn)定性．在邊界層處理上，共劃?

·112·華中科技大學學報（自然科學版）第48卷達到最大值19.60%．這表明隨著流量逐漸減小，計算收斂性逐漸變差；同時也暗示隨著工況點逼近特性曲線的拐點，機組愈發(fā)難以穩(wěn)定運行．隨著工況點由OP5向OP7變化，機組歷經(jīng)飛逸點和水泵制動區(qū)，σ(H)/H逐漸減�。嗨频囊�(guī)律也出現(xiàn)在σ(nED)與σ(QED)的計算結果中．總體而言，計算結果具有合理的規(guī)律性．表2初選轉輪各工況點水頭相對標準差、單位轉速標準差及單位流量標準差(2.59×106網(wǎng)格節(jié)點)工況點(σ(H)/H)/%σ(nED)/10-3σ(QED)/10-3OP10.300.400.40OP23.033.803.30OP38.1910.808.10OP413.7218.5012.20OP519.6026.9012.50OP68.2811.003.00OP76.989.000.702計算結果及分析2.1等長葉片參數(shù)敏感性結果在等長葉片前提下，以初選轉輪為基礎，研究β2和β1對水輪機工況效率和特性曲線的影響，并將結果展示于圖5和圖6，圖中η為水輪機工況效率．為便于區(qū)分，用紅色突出β2的影響，用藍色突圖5葉片安放角對水輪機工況效率的影響圖6葉片安放角對S特性曲線的影響出β1的影響，用黃色表示初選和最終優(yōu)選的等葉片轉輪(編號7)，并用黑色表示基準轉輪．觀察圖5可知：隨著β2從29.2°減小到14.2°，機組在低水頭條件下的效率逐漸提升，高效率區(qū)逐漸變寬廣；而當β2從19.2°減小至14.2°時，設計工況點的效率不再顯著提升．在β1從39.1°減小到18.6°過程中，機組在低水頭條件下的效率逐漸降低，高效率區(qū)逐漸變窄，但在設計點的效率逐漸提高．這

【參考文獻】：
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本文編號：3300330