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发布时间:2022-10-04 12:49:53
基于流体工程仿真计算的水轮机设计
水轮发电机组的性能优越与否,主要取决于3个要素:机组的稳定性;运行的效率;空化性能的好坏。决定这3个因素的关键是机组内部的流态状况,若内部流体运动规律不理想,产生负压、叫流的地方较多,会让零件的气蚀破坏程度增加,机组的振动频率加大,使得检修的次数增加,缩短使用寿命。因此,在水轮机设计的前期工作中,能否准确地把搌内部流场状况,对确定机组过流部件的合理尺寸、工艺改进、材料的选用以及机组的运行稳定件等,具有指导件的意义。所以,产品设计前期,对水轮机的内部流场模拟仿真十分必要。鉴此,本文介绍了水轮机内部流畅模拟的具体流程,并对混流式机组的过流部件之一——导水机构进行数值模拟,以说明流体工
程仿真对于水轮机设计的重要件。
调光台1 水轮机流场模拟流程
对水轮机内部流场的模拟,主要是指通过计算机技术,离散控制方程的方式进行数值计算。最后,以图像显示的形式,描述内部流体的物理现象。其操作的具体步骤主要分为:建立水轮机过流部件的内部流场模型;对模型进行格划分;选择湍流模型;设置边界条件;计算结果显示。以下针对每一个环节进行说明:
1、)内部流场模型的构建。主要是根据机组运行时所处的某一特定工况下,它的过流部件所处于的理论状态(如小流量工况下,导叶的开度值、转轮的转速等、),通过不同的表征参数,建立内部流体的模型。
2、)格划分。格是流场模拟计算的载体,对建立必要的夹具则是5光10色好的模型划分计算格,是数值计算的最关键一步,也是工作量最大的一个步骤。具体对水轮机而言,过流部件人多是复杂的、非规则的自由曲面(如尾水管、叶片等),因此,在格的划分上,也存在一定的难度,为提高格生成的质量,保证计算精度,本文结合过往分析经验,采用六面体非结构化格作为划分方式。
3)湍流模型的选择。对于人多流体机械而言,其内部流体的流动方式皆为湍流状态,水轮机也是如此。因此在格划分完毕之后,需要选择湍流模型。传统的流体机械仿真,人多选用钻套k-ε双方程模型进行计算,其结果也基本符合实际情况。然而,由于水轮机流道存在弯曲壁面(蜗壳、尾水管、转轮室等),若采用上述模型进行计算,容易出现失真现象,降低计算的精度。故本文选用k-ε双方程模型的修正方案,即RNG kε模型其数据的差异也很大,因为它有效避免了前者的弊端,对于弯曲壁面的计算,不会出现失真情况,能保证结果的准确性。
4、)边界条件的设置。即求解域的边界上所求解的变量和一阶导数的变化规律。水轮机的计算中,边界条件设置较为简单,基本边界条件主要包括:流动进口边界和流动出口边界。
5)计算结果显示。主要是迭代计算完毕之后,以云状图、坐标等方式显示出机组在某种工况下、整体或单个部位、断面的速度压力分布情况,了解铜电缆容易产生负压,回流的部位,为后续设计、改良、优化提供理论参考依据。
2 导水机构的内部流场模拟
本文以某混流式机组的过流部件之一—导水机构为例,进行流场仿真计算。以机组最优工况为计算依据,其已知相关参数为:水头(H)、流量(Q)、导叶开度(α)、速度环量(τ)等。后续操作步骤为:
1)根据已知断而型线进行绘型,然后调整导叶开度至口,绘制出该工况下的流场三维模型,并对其整体划分非结构化六面体格,如图1所示。
2)选取RNG k-ε模型为湍流计算模型,其控制方程为:
式中:ρ——流体密度;
u——速度矢量;
t——时间参数;
k——传热系数;
α——松弛因子;
Gk——湍流动能;
ε——耗散率。
3)设置边界条件。对于该模型而言,边界条件的生成主要为:①速度进口边界(即在进口边设置速度值Vj);②压力出口边界(在出口边设置压力出口值Pc)。然后,进行迭代计算,其速度分
由图2可以看出:水流速度从进水边一直到出水严禁在钢材中使用边,整体趋势是均匀增大的;水流的流动状况比较顺畅,无他势必迎来属于自己的1个新的时期明显脱流、漩涡的发生;速度分布沿圆周方向的对称性良好。由此说明,该导水机构的流态较好,满足机组运行的要求。因此,该导叶断面翼型尺寸的确定是合理的。
3 结论
本文阐述了流体工程仿真技术在水轮机设计中的现实作用。详细介绍了实现水轮机内部仿真模拟的基本流程。最后,对某混流式水轮机导水机构在最优工况点的条件下,进行了流场模型的构建以及流体数值模拟计算,良好的计算结果,验证了设计的合理性。然而,仿真计算只是一个在计算机上操作的模拟过程,无论多么精确地按照实际状况进行仿真,与实际试验结果相比,都存在一定偏差,未来随着计算机技术的日趋完善,计算的精度也将大幅度提高。
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