為改進(jìn)水泵水輪機(jī)S特性曲線,開(kāi)展了水泵水輪機(jī)設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬研究.首先,設(shè)計(jì)了多個(gè)等長(zhǎng)葉片轉(zhuǎn)輪,以研究葉片安放角對(duì)水輪機(jī)工況效率和S特性曲線的影響;然后,選取一高效率等長(zhǎng)葉片轉(zhuǎn)輪,并應(yīng)用長(zhǎng)短葉片設(shè)計(jì),以研究其對(duì)S特性曲線的影響.結(jié)果表明:選取較小的葉片安放角可增加水輪機(jī)工況的效率,但S特性更加突出;而應(yīng)用長(zhǎng)短葉片設(shè)計(jì)雖然會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)工況下的水力效率有所下降,但是S特性得到明顯改進(jìn). 

【文章來(lái)源】：華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,48(11)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)流程表1設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪的幾何參數(shù)0)的運(yùn)行參數(shù)和幾何參數(shù)輸入三維流體機(jī)械設(shè)計(jì)軟

第11期胡金弘，等：基于數(shù)值模擬改進(jìn)的水泵水輪機(jī)S特性曲線·111·1.2網(wǎng)格劃分及數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格劃分和數(shù)值模擬均基于計(jì)算流體力學(xué)軟件STAR-CCM+．整個(gè)計(jì)算域包括蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪和尾水管，具體如圖2所示．對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)輪選取活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度為23°，計(jì)算從水輪機(jī)工作區(qū)至水輪機(jī)制動(dòng)工況區(qū)的7個(gè)工況點(diǎn)，包括OP1(49L/s，設(shè)計(jì)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(diǎn))和OP7(4L/s，水輪機(jī)制動(dòng)區(qū))．圖2計(jì)算流道示意圖邊界條件設(shè)置為：蝸殼進(jìn)口處為流量進(jìn)口，尾水管出口處為壓力出口，平均靜壓為25.6kPa，與基準(zhǔn)轉(zhuǎn)輪模型試驗(yàn)的下游邊界條件一致，固體壁面為無(wú)滑移邊界，水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪為旋轉(zhuǎn)區(qū)域，給定額定轉(zhuǎn)速1×103r/min．各計(jì)算域之間通過(guò)通用網(wǎng)格交界面進(jìn)行耦合．所有計(jì)算均采用非定常計(jì)算，對(duì)每一個(gè)工況點(diǎn)計(jì)算15個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)周期，并根據(jù)最后5個(gè)周期的結(jié)果取平均，以獲取力矩、水頭等參數(shù)．時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.5ms，對(duì)應(yīng)每個(gè)時(shí)間步轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)3°．內(nèi)迭代步數(shù)設(shè)為15步，以保證在設(shè)計(jì)工況下每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的殘差達(dá)到1×10-3．求解過(guò)程中，采用SIMPLE算法對(duì)速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)解耦，時(shí)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(dòng)能，ω為單位湍動(dòng)能耗散率)計(jì)算內(nèi)流場(chǎng)特性．網(wǎng)格劃分如圖3所示．對(duì)包括蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和尾水管等靜止部件內(nèi)部流道采用切割體網(wǎng)格，對(duì)轉(zhuǎn)輪流道采用多面體網(wǎng)格，其中：切割體網(wǎng)格質(zhì)量較高且生成速度快；而多面體網(wǎng)格在單個(gè)網(wǎng)格單元內(nèi)擁有較多的計(jì)算節(jié)點(diǎn)，對(duì)于復(fù)雜幾何壁面具有較好的計(jì)算穩(wěn)定性．在邊界層處理上，共劃?

·112·華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第48卷達(dá)到最大值19.60%．這表明隨著流量逐漸減小，計(jì)算收斂性逐漸變差；同時(shí)也暗示隨著工況點(diǎn)逼近特性曲線的拐點(diǎn)，機(jī)組愈發(fā)難以穩(wěn)定運(yùn)行．隨著工況點(diǎn)由OP5向OP7變化，機(jī)組歷經(jīng)飛逸點(diǎn)和水泵制動(dòng)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(jì)算結(jié)果中．總體而言，計(jì)算結(jié)果具有合理的規(guī)律性．表2初選轉(zhuǎn)輪各工況點(diǎn)水頭相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差、單位轉(zhuǎn)速標(biāo)準(zhǔn)差及單位流量標(biāo)準(zhǔn)差(2.59×106網(wǎng)格節(jié)點(diǎn))工況點(diǎn)(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(jì)算結(jié)果及分析2.1等長(zhǎng)葉片參數(shù)敏感性結(jié)果在等長(zhǎng)葉片前提下，以初選轉(zhuǎn)輪為基礎(chǔ)，研究β2和β1對(duì)水輪機(jī)工況效率和特性曲線的影響，并將結(jié)果展示于圖5和圖6，圖中η為水輪機(jī)工況效率．為便于區(qū)分，用紅色突出β2的影響，用藍(lán)色突圖5葉片安放角對(duì)水輪機(jī)工況效率的影響圖6葉片安放角對(duì)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(zhuǎn)輪(編號(hào)7)，并用黑色表示基準(zhǔn)轉(zhuǎn)輪．觀察圖5可知：隨著β2從29.2°減小到14.2°，機(jī)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(dāng)β2從19.2°減小至14.2°時(shí)，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的效率不再顯著提升．在β1從39.1°減小到18.6°過(guò)程中，機(jī)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(shè)計(jì)點(diǎn)的效率逐漸提高．這

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號(hào)：3300330