水轮机转轮内全三维紊流计算及效率预估

水轮机转轮内全三维紊流计算及效率预估吴玉林，韩海，曹树良（清华大学水利系北京１０００８４）关键词水轮机，紊流计算，效率预估１引言水轮机转轮内部流场不易用实验手段量测，从而使得转轮内流动的数值模拟技术获得更大的发展。特别是近几十年来，水力机械的数值模拟...

长短叶片混流式水轮机转轮内部流场数值模拟研究

多泥沙河流运行的水轮机的泥沙磨损一般都很严重,尤其是高水头混流式水轮机。本研究对一多泥沙河流上的高水头长短叶片混流式水轮机的内部流动特性进行了数值预测。数值结果表明,小流量和设计工况下,水轮机流场及压力分布均较为平稳,泥沙浓度最高区域位于叶片头部及出口靠近下环处,泥沙速度最高区域位于长叶片背面,设计工况下转轮长短叶片表面泥沙速度明显高于小流量工况。根据转轮叶片表面的泥沙浓度分布和流动特性情况,可以进一步预测水轮机转轮叶片的磨损情况,为多泥沙河流电站水轮机泥沙磨损研究提供参考依据。

水力机械转轮内的CFD分析及优化设计

本文基于Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和标准的ｋ－ε紊流模型，模拟了转轮内的三维紊流场。同时，建立了一种现代水力机械转轮的设计方法；采用ＣＡＤ－ＣＦＤ系统，依据三维紊流场的预测结 果优化转轮内相关的几何参数，使得转轮内的流态接近理想流态，从而保证优化转轮的良好性能。

水轮机转轮内部三维粘性流动计算与性能预测

本文在三维时均N—S方程基础上 ,采用贴体坐标下的有限体积法和k -ε模型 ,对混流式转轮内部四个典型工况的三维紊流流动进行了数值模拟 ,获得了合理的流速和压力分布 ,在此基础上计算了各个工况下的转轮的水力效率并与试验结果进行了比较 ,取得了一致的结果 .开发的计算软件可进行水轮机转轮的水力设计 。

混流式水轮机转轮内部三维紊流的数值分析

本文基于Ｎ－Ｓ方程和标准的ｋ－ε紊流模型，采用贴体座标和交错网格系统，用ＳＩＭ－ＰＬＥＣ算法对一比转速ｎＳ＝２４０（ｍ，ｍ３／ｓ，ｒ／ｍｉｎ）的混流式水轮机模型转轮内部的流动进行数值模拟，提出了三个典型工况时三维紊流数值计算结果，初步分析了转轮的汽蚀和能量特性，为改进设计提供了一些有益的参考资料。

水轮机转轮内部的三维固液两相紊流计算

In the presellt work, The three-dimensional turbulent particulate-liquid two-phase flows have been simulated through a hydraulic nancis turbine runner by using the turbulence model and the SIMPLEC algorithm on the bases of the theory of two-fluids model for multiphase flows. In this theory, the particle phase at dilute conceniration conditions, is assumed to be a pseudo-fluid and occupies a certain fraction volume in the whole flow domain shared with the colltinuum phase, i.e., the real fluid phase. Velocity distributions of the two phases through the runner are indicated in this paper as calculated results.

水泵水轮机转轮内水泵工况紊流分析

本文基于 N - S方程和 K—ε紊流模型 ,对于所选择的五个工况点 ,采用贴体座标系和交错网格系统 ,用 SIMPL EC算法对水泵水轮机转轮内部的紊流进行数值模拟 ,得出了转轮内部流场和压力场的分布。将计算结果用 Tecplot7进行处理 。

混流式转轮内部流场的涡动力学分析

本文通过理论分析,推导了水轮机叶片所受力矩的涡动力学表达式,阐述了用涡动力学分析从全局和局部诊断水轮机内部流动的原理。用数值方法对混流式水轮机的转轮内部流场进行了计算,采用了全三维全流道的湍流计算方法,基于标准k-ε湍流模型和SIMPLEC数值方法,从导叶进口到尾水管出口,包含所有流道在内的整体一次完成计算。根据得到的流场数据,对转轮内部流场进行了涡动力学分析,得到了叶片表面的BVF分布和表面摩擦力线的分布,进行了全局和局部流场诊断,通过和用压力、速度等传统分析方法的对比,结合试验数据,验证了涡动力学分析方法的实用性。

水轮机转轮内部层流和湍流的三维计算

本文用有限元法计算水轮机转轮内部三维层流和湍流,采用的是修正的x-ε双方程湍流模型.求解不可压NaVier-stokes方程时,采用了压力、流速修正法.并将Petrov-Galerkin流线迎风格式的应用范围扩充到三维的Navier-Stokess和x-ε方程.用上述方法来计算轴流式转轮的流场,结果合理.

混流式转轮内部为有旋流动的准三维设计

以速度矩及叶片厚度分布为已知条件，基于两类流面理论，建立了流面反问题计算的混流式转轮准三维设计模型。该模型可计入叶片流道内周向参数分布不均匀对叶片设计的影响。研究了叶片边界条件对叶片性能、叶片形状及设计计算的收敛性的影响，为转轮设计提出了新的思想。按本文模型设计的叶片，其速度矩分布与给定值基本吻合。

水轮机转轮内部磨损预测

本文利用ｋ－ε－Ａｐ两相湍流模型计算水轮机转轮中泥沙固液两相湍流。根据液相和固相三维流速场的计算结果数值预估转轮叶片面的泥沙磨损。

混流式转轮内有旋流动的全三元反问题计算

提出了一种给定Ｖ＿（θｒ）和叶片厚度分布规律的全三元有旋流动的混流式转轮的设计模型。基于前人的研究，将全三元流动分解为由三维Ｅｕｌｅｒ方程作周向平均导出的平均流动方程和由Ｃｌｅｂｓｃｈ变换建立的周期性流动方程来描述，迭代求解以满足叶片边界条件实现全三元的反问题计算。算例表明，按本文模型进行设计，可以得到满足给定的负荷分布及厚度分布的转轮，提高了设计过程对叶片性能的可控性。

水泵水轮机转轮内部三维紊流流场计算与性能分析

水泵水轮机转轮可以在正反两个方向上旋转，用一个转轮分别实现水泵和水轮机工况的运行．在设计阶段提前预知转轮在两种工况下的流场以及能量特性对于提高水泵水轮机的设计水平和运行质量具有重要的意义．本文基于三维 Navier-Stokes 方程和标准 k-ε模型，采用贴体坐标和交错网格系统，用 SIMPLEC 算法分析了水泵水轮机转轮中的三维紊流流场． 对比了转轮在水轮机和水泵两种工况下的流场，同时讨论了转轮的能量特性．

超高水头混流式长短叶片转轮内部流动数值模拟

对超高水头混流式长短叶片转轮内部流动进行数值模拟分析.计算基于连续方程和雷诺时均N-S方程,选用Spalart-Allmaras一方程湍流模型使方程组封闭,通过贴体坐标下的有限体积法对控制方程进行离散,数值求解采用SIMPLIC算法.通过计算得出不同工况下长短叶片转轮内部流动的速度及压力分布,发现不同工况下短叶片表面的压力分布规律与长叶片基本相同.与常规转轮叶片流场比较发现,在上冠流面和中间流面上二者有相似的翼型压力分布规律,而在下环流面上长短叶片转轮翼型表面压力分布要优于常规叶片转轮,因而具有更好的空蚀性能.

轴流式水轮机转轮内三维紊流场预测

转轮是水轮机中影响机组特性的一个重要部件．研究水轮机转轮内三维素流场的流动特性对于提高水轮机组的特性及效率具有重要的意义．本文基于N-S方程和标准的κ-ε紊流模型，采用SIMPLEC算法，数值模拟了轴流式水轮机转轮内的三维紊流场，同时讨论了其收效性和准确性．轴流式水轮机转轮内的三维紊流场数值模拟结果有助于提高轴流式水轮机的水力设计、性能分析和优化设计的水平．

水轮机转轮内部的三维固液两相紊流计算

本文利用Ｋ－ε－ＡＰ两相紊流模型和ＳＩＭＰＬＥＣ法计算水轮机转轮内部的三维固液两相紊流．计算结果给出了水轮机转轮内部的三维固液两相流动的主要流动参数，例如，连续相（液相）和离散相（固相）速度，两相速度滑差，固液两相流动下的压力分布等．

水力机械转轮内部三维液－固耦合振动的变分原理及有限元方程

本文提出了水力机械转轮运行时三维液－固耦合振动数值计算的数理模型。以混流式转轮为例，假设水流运动有势，作者首次提出并证明了转轮内部液－固耦合振动的变分原理。以２０节点六面体单元剖分液体和叶片区域，推导了液－固耦合振动的有限元方程，并对方程的各项意义进行了阐述。

水力机械转轮内固液两相流的三维贴体数值模拟研究

本文利用悬浮体固液两相流颗粒群模型的理论研究成果，对在含沙水流中工作的水力机械转轮内部的固液两相流进行了数值模拟研究。首先针对水力机械转轮内部的悬浮体固液两相流的流动特性，通过探讨固液两相间的作用力本构关系式，简化了颗粒群模型中复杂的理论方程，建立了能进行数值模拟的欧拉方程。然后提出了一种新的数值模拟方法，即：在贴体坐标系下采用有限体积法，利用单一网格拟人工压缩技术，解决欧拉方程中的压力－速度关联问题和压力波动问题，并从理论上分析论证了该技术的严密性和有效性。作者利用此技术分别对轴流式水轮机转轮内实际工况下单相流与固液两相流的欧拉方程进行了数值模拟，在计算过程中，该技术能保证数值快速收敛和结果合理。

混流式水轮机转轮内部流动的动力学特征和分析

混流式水轮机转轮内流是复杂的非定常三维湍流流动,由于结构上的原因,转轮在非设计工况下工作时会形成不稳定流场,产生三维非定常的附面层分离,同时进一步形成贯穿整个流道的叶道涡,影响转轮的运行稳定性。目前,转轮内流场的研究还只是基于通过数值模拟对速度场和压力场进行观察和分析,但对于各种分离流动机理性研究还做得不够深入。非线性动力学主要研究非线性动力系统中各种运动状态的定性和定量的变化规律,以及系统的长时间演化行为,其可以用于流体旋涡和分离流动机理分析。本文将通过对一个模型转轮数值模拟结果的动力学特性分析,对混流式水轮机非设计工况运行时内流分离和失稳的破坏形式加以分析。

水轮机转轮内部泥沙浓度的数值分析

采用ANSYS CFX 14.0软件对某电站混流式水轮机转轮内部固液两相流动进行了数值模拟,着重分析了转轮内部泥沙浓度分布。研究结果表明,在叶片表面上不同的位置,泥沙浓度分布是不同的,浓度较高的地方位于叶片进水边靠近上冠和下环处、下环内表面和叶片出水边靠近下环内表面处。对含沙河流中水轮机转轮叶片遭受严重磨蚀破坏情况的分析和水轮机的耐磨设计具有重要的指导作用。