（水利水电工程专业论文）含沙水中长短叶片水轮机内部流动的数值模拟.pdf

一 、一 一 r t - y 11 8 帆8 4 5 6 9 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：乓 日期： 指导教师签名：弘沏 日期 们【1 6 1 f 嚣姗糙名羔野省雌各强唆， ! ；- i = 、 、 hl。 一 、h 、 、 、f 西华大学硕士学位论文 摘要 迄今为止，关于含沙河流中运行的水轮机泥沙磨损破坏机理的研究取得了很大的进 步，但还不十分成熟。 常规混流式水轮机在含沙河流运行过程中，水轮机的空蚀和磨损破坏非常严重，特 别是在高水头状态下运行，情况更为严重，水轮机的空蚀和磨损破坏已是水电站安全运 行的一个重要问题。事实证明，长短叶片混流式水轮机能够减轻空蚀破坏及泥沙磨损， 但问题并没有得到彻底解决，故需要对长短叶片混流式水轮机内部固液两相流动进行研 究，探讨水轮机内部沙水流场的流动机理，为长短叶片水轮机设计提供参考。 本文将其水轮机各过流部件作为整体来考虑，基于n s 方程，分别对其水轮机内 的清水及沙水流动进行数值计算。研究的成果如下： 一、根据一具体水轮机的水力设计技术参数，采用u n i g r a p h i c s 软件分别对水轮机 引水部件、导水机构、转轮及尾水管进行三维几何建模。并将建好的各过流部件三维模 型导入g a m b i t 软件中，并对其依次进行网格划分及指定边界类型和区域类型： 二、分别对清水中大流量工况、最优工况、小流量工况下水轮机内部流动进行数值 计算； 三、分别对沙水中的颗粒体积浓度和直径一定流量不同，颗粒体积浓度和流量一定 颗粒直径不同，颗粒直径和流量一定颗粒体积浓度不同的情况下水轮机内部流动进行数 值计算；通过对清水和沙水的数值计算结果的对比分析，获得了长短叶片水轮机各过流 部件的泥沙磨损和空蚀破坏规律。计算结果与实际电站在运行过程中发生的情况基本吻 合。 关键词：长短叶片；水轮机；沙水；流动；数值模拟 a b s t r a c t u pt on o w ，m u c hp r o g r e s sh a sb e e na c h i e v e di nt h er e s e a r c ho nt h ed a m a g em e c h a n i s mo f s a n da b r a s i o ni nt h eh y d r a u l i ct u r b i n e so p e r a t i n gi ns a n d yr i v e r s h o w e v e r , t h et h e o r i e sa n d t e c h n i q u e sa r en o tm a t u r e d u r i n gt h eo p e r a t i o no ff r a n c i st u r b i n e si ns a n d yr i v e r s ，t h ec a v i t a t i o na n da b r a s i o n d a m a g e so ft h et u r b i n ea r es g c e r e t h e s ep r o b l e m sc o u l db ew o r s ei fo p e r a t i n gi nh i g hw a t e r h e a d t h ec a v i t a t i o na n da b r a s i o nd a m a g e so ft u r b i n e sa r ek e yi s s u e sf o rt h es a f e t yo p e r a t i o n o fah y d r o p o w e rs t a t i o n a c t u a l l y , t h ep r o b l e m so fc a v i t a t i o na n da b r a s i o nd a m a g e sc o u l db e a l l e v i a t e db yu s i n gh y d r a u l i ct u r b i n e sw i t hd e v i a t e ds p l i t t e rv a n e s h o w e v e r , t h i sp r o b l e mi s n o ts o l v e dc o m p l e t e l y - -hence t h e r ei san e c e s s i t yt os t u d yt h es o l i dl i q u i dt w op h a s ef l o wi n h y d r a u l i ct u r b i n e sw i t hd e v i a t e ds p l i t t e rv a n e s d i s c u s s i o n so nt h ef l o wm e c h a n i s m so fs a n d y w a t e rf l o wf i e l di nh y d r a u l i ct u r b i n e sc o u l ds 劬 v ea sab a s i sf o rt h ed e s i g no fh y d r a u l i c t u r b i n e s 、j l ，i t hd e v i a t e ds p l i t t e rv a n e s a l lf l o wp a s s a g ec o m p o n e n t so ft h et u r b i n ea r ec o n s i d e r e da saw h o l ei nt h i sd i s s e r t a t i o n b a s e d0 1 1t h en se q u a t i o n s ，t h ef l o w i n gc o n d i t i o n so fc l e a rw a t e ra n ds a n d yw a t e ri nt h e t u r b i n ea r en u m e r i c a l l ys i m u l a t e d , r e s p e c t i v e l y t h em a i nc o n t e n t so ft h i sd i s s e r t a t i o na r ea s f o l l o w s ： f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h et e c h n i c a lp a r a m e t e r so fh y d r a u l i cd e s i g no fap r a c t i c a lh y d r a u l i c t u r b i n e ，t h ec o m m e r c i a ls o f t w a r eu n i g r a p h i c si sa d o p t e dt oe s t a b l i s ht h e3 dg e o m e t r i c m o d e l so ft h ed i v e r s i o nc o m p o n e n t s ，g u i d ea p p a r a t u s ，r u n n e ra n dd r a f tt u b eo ft h et u r b i n e a n dt h e3 dm o d e l so fa l lf l o wp a s s a g ec o m p o n e n t sa r ei n t r o d u c e di n t ot h ec o m m e r c i a l s o f t w a r eo fg a m b i tw h i c hc o u l dg e n e r a t eg r i d sa n ds e tu pb o u n d a r yc o n d i t i o n sf o rt h e m o d e l s 、 s e c o n d l y , t h ei n t e r n a lf l o w so ft h et u r b i n ei nc l e a rw a t e ru n d e rl a r g ef l o wr a t e ，o p t i m u m c o n d i t i o n sa n ds m a l lf l o wr a t ea r en u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d t h i r d l y , t h ei n t e r n a lf l o w so ft h et u r b i n ei ns a n d yw a t e rw h i l et h ep a r t i c l ev o l u m e c o n c e n t r a t i o n sa n dt h ed i a m e t e r sa r ef i x e d ，a n dt h ef l o wr a t e sa r ed i f f e r e n t ；t h ep a r t i c l e v o l u m ec o n c e n t r a t i o n sa n df l o wr a t e sa r ef i x e d ，a n dt h ep a r t i c l ed i a m e t e r sa r ed i f f e r e n t ；t h e p a r t i c l ed i a m e t e r sa n df l o wr a t e s a r e f i x e d ， a n dt h ec o n c e n t r a t i o n sa r ed i f f e r e n t ,a r e n u m e r i c a l l yc a l c u l a t e d t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t si n c l e a rw a t e ra n ds a n d yw a t e r ，t h er u l e so fc a v i t a t i o n sa n da b r a s i o nd a m a g eo fa l lf l o wp a s s a g e c o m p o n e n t so fh y d r a u l i ct u r b i n e s 、i t l ld e v i a t e ds p l i t t e rv a n e sa r eo b t a i n e d a n dt h er e s u l t s a r ea l s ob a s i c a l l yc o n s i s t e n tw i mt h o s eh a p p e n e dd u r i n gt h eo p e r a t i o no fap r a c t i c a lp o w e r s t a t i o n k e yw o r d s ：s p l i t t e rv a n e s ；h y d r a u l i ct u r b i n e s ；s a n d yw a t e r ；f l o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘要。i a b s t r a c t i i l 绪论1 1 1课题来源1 1 2 课题研究的目的及意义1 1 3国内外研究现状2 1 3 1 水轮机内部流动2 1 3 2 水轮机泥沙磨损2 1 3 3 长短叶片水轮机3 1 4 本课题的主要研究内容3 2 1 引言4 2 2 固液两相流动基本方程。4 2 3 两相流计算模型5 3 含沙水中水轮机内部流动的数值模拟方法。7 3 1 引言7 3 2 网格的生成7 3 3 求解器的选择7 3 4 计算模型的选择7 3 5 边界条件的设置7 3 5 1以清水为介质的边界条件7 3 5 2以沙水固液两相混合物为介质的边界条件8 3 6 数值计算的收敛判据8 3 7 计算结果输出及后处理8 4 水轮机的三维几何造型及计算网格划分。9 4 1 弓l 言9 4 2 三维几何造型的原理9 4 3 实体造型的方法1 0 4 4 水轮机的三维几何造型1 0 4 4 1 计算采用的水轮机的主要技术参数1 0 4 4 2 蜗壳的几何数字化建模1 2 i i i 含沙水中长短叶片水轮机内部流动的数值模拟 4 4 3 导叶的几何数字化建模1 2 4 4 4 转轮的几何数字化建模。1 4 4 4 5 尾水管的几何数字化建模1 6 4 4 6 水轮机整体几何模型的建立。17 4 5 计算网格的生成17 4 5 1网格划分的基本原则1 7 4 5 2 网格划分的方法。1 8 4 5 3 水轮机全流道的网格划分1 8 5 计算结果分析2 0 5 1 清水流场水轮机内部流动的数值模拟2 0 5 1 1 蜗壳内流场数值模拟结果及分析( 压力单位p s ，速度单位n 以) 2 0 5 1 2 导水机构内流场数值模拟结果及分析2 l 5 1 3 转轮内流场数值模拟结果及分析。2 3 5 1 4 尾水管内流场数值模拟结果及分析2 9 5 2 沙水流场水轮机内部流动的数值模拟3 2 5 2 1 在体积分数和颗粒直径一定，不同流量下的数值模拟。3 2 5 2 2 在流量和颗粒直径一定，不同体积分数下的数值模拟。4 6 5 2 3 在流量和体积分数一定，不同颗粒直径下的数值模拟。5 6 6 结论与展望6 6 6 1 结论6 6 6 2 存在问题6 6 6 ；3展望：。6 7 参考文献6 8 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况7 1 致谢。7 2 西华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题来源 本课题来源于四川省教育厅研究项目。 1 2 课题研究的目的及意义 我国水力资源十分丰富，但河流挟带沙量也较多，其中黄河输沙量最大，平均年输 沙量和入海沙量分别占全国年输沙量和入海沙量的5 3 和6 0 ，长江次之，分别占2 1 和2 6 【l 】。因此，我国多沙河流上水电站水轮机过流部件，尤其是叶片的磨蚀问题便显 得异常突出。据估计，在已运行的水电站中，约有1 5 - 1 4 的水轮机叶片遭受不同程度 的泥沙危害，每年因水轮机过流部件( 主要为转轮叶片) 磨蚀破坏而停运或检修引起的 电能损失约2 0 - 3 0 亿k w h ，年消耗检修费及设备更新费达几十亿元。如黄河上、中游 的刘家峡、盐锅峡、青铜峡、天桥、三门峡等水电站的水轮机不同程度地遭受泥沙磨蚀 破坏，特别是距小浪底最近的三门峡【2 司，在汛期，空蚀磨损破坏更为严重。 目前在运行的中高水头水电站水轮机机组中，常规混流式水轮机占很大比例，只有 少数电站采用长短叶片混流式水轮，如鱼子溪、鲁布革等。 常规混流式水轮机在含沙河流运行中，水轮机的泥沙磨损和空蚀破坏很严重，致使 水轮机的运行效率降低及年发电量减少，缩短大修周期时间，增加大修费用，影响水电 站的安全经济运行等。常规混流式水轮易受泥沙磨损的部位为转轮叶片正面出水边及靠 近下环区域、叶片进水边的下部；活动导叶与底环相接触的底环抗磨底板；活动导叶进 水边，其中，转轮叶片的磨蚀破坏最为严重。实践证明，长短叶片混流式水轮机在含沙 河流运行中能够有效地减轻泥沙对叶片的磨蚀，但由于长短叶片混流式水轮机的内部流 场比常规混流式水轮机的内部流场复杂，因此，对长短叶片混流式水轮机的内部流动研 究不多，尤其是，沙水条件下的内部流动特性。目前，对长短叶片水轮机在固液两相流 场中的研究还较少，但就长短叶片水轮机运行效果来看，除了有很好的水力性能外，高 抗泥沙磨损性能还十分突出。本研究将对一长短叶片水轮机分别在清水流场及沙水流场 中的流动进行数值模拟研究，其研究成果将对含沙河流中长短叶片水轮机的耐磨蚀设计 具有重要的指导意义和参考价值。 含沙水中长短叶片水轮机内部流动的数值模拟 1 3 国内外研究现状 1 3 1 水轮机内部流动 长期以来，研究水轮机内部流动问题的方法主要为理论研究和实验研究两方面。水 轮机设计出来后，由模型试验验证其性能，然后根据得到的结果进行优化，这已是本行 业传统的成熟的做法，但工作强度大，时间长。随着数值计算方法及计算机技术的发展， 水轮机性能预测已经运用了c f d 技术，并根据其结果进行优化【4 羽。 1 9 5 2 年，吴仲华提出了s 1 、s 2 两类相对流面的理论，用两个相关的二元流动计算 迭代去逼近三元流动问题，第一次提出三元流动计算【| 7 1 。由于计算机技术的迅速发展， 促进了计算流体力学的飞速发展，特别是近几十年来，水力机械的内部流动的数值模拟 借鉴航空机械的成果取得了巨大的进步，已由无粘性发展到粘性，二维、准三维发展到 全三维【8 】。1 9 8 6 年，s h y y 和b a r a t e n 首次应用k 一模型对水轮机中尾水管的流动进行研 究【9 】。1 9 9 9 年，吴玉林、杨建明建立了基于大涡模拟思想而方程结构上类似于时均k 一 模型的大涡模拟一双方程模型，对水轮机中的尾水管和转轮进行了计算，得到了与实验 接近的计算结果 1 0 】。2 0 0 2 年，李连超用大涡模拟方法对国内某振动问题较为严重的水 电站的尾水管进行了6 0 负荷工况点的不稳定流场计算，通过计算得到了与模型机组压 力脉动试验结果相符的尾水涡带频率特性【1 1 | 。 1 3 2 水轮机泥沙磨损 河流含沙是客观存在的，世晃各地运行的水轮机都存在泥沙磨损问题。由于欧美水 电开发较早，对水轮机泥沙磨损问题的研究也较早。我国的水电开发始于建国初期，到 目前，根据我国河流泥沙特性，对水轮机泥沙磨损问题的研究从收集水轮机泥沙磨损资 料，开展初步研究到完全自主开展研究，研发一些抗磨措施再到研究工作全面、深入的 发展，我国同行专家学者也取得了大量的成果【l j 。 在国外，a h 沙利亚利用单颗粒动力学模型( 轨道模型) 研究了离心泵叶轮中固体 颗粒的运动，并对其中的磨损问题进行了讨论【1 2 j ；s h e l d o n 和f i n n i e 通过实验和分析指 出，当冲击颗粒的尺寸和流速在一定范围时，典型的高硬脆性材料也可以产生塑性变形， 而呈现柔韧材料的磨损特点【1 3 d 4 】；m c r o c o 采单流体混合物连续介质模型对泵内的固 液两相流动进行了分析，通过求解固相浓度扩散方程，给出了离心泵内固相浓度的分布 规律【1 5 】。国内，赵敬亭、朱金曦、马振宗等人对泵中固液两相流流动规律进行了研究， 特别研究了叶片进口角与水流间的夹角、颗粒粒径、重度变化对颗粒运动轨迹的影响以 及泵叶轮副叶片在固液两相流中的性能 1 6 - 1 9 ；李仁年、刘彦利用两相流动理论和边界 理论，从理论上建立了定常固液两相流边界的数学模型2 0 】；李仁年、曹鸡和古兴桥通过 西华大学硕士学位论文 模型实验装置，研究了含沙水流条件下水轮机导水部件流场的特性，并找出固定导叶与 活动导叶相对位置与含沙量的关裂2 1 】：刘小兵、程良骏从流体力学的基本理论出发，分 析了固体颗粒在任意流场中的受力，导出了该流场中稀疏固体颗粒的运动方程，给出了 求解颗粒运动的数值计算方法，并建立了水涡轮机械中的固液两相湍流模型和颗粒磨损 模型及e l e r i a n l a g r a n g i a n 混和湍流模型，同时对水涡轮机械的泥沙磨损进行了数值模拟 研究2 2 之匀。 1 3 3 长短叶片水轮机 近年来，随着长短叶片式水轮机在我国水电站的运用，其运行的稳定性，抗磨损和 抗空化性能高等特点得到普遍的认可【2 6 1 。长短叶片式水轮机在国内水电站逐渐得到广 泛的应用，如云南的鲁布革电站采用这种长短叶片相间布置的转轮，多年运行后经检查 没有明显严重的空蚀、泥沙磨损。 对于常规低比转速混流式水轮机来说，转轮的叶片较长，进口处半径要比出口处半 径大得多，在水轮机运行过程中，由于哥氏力的作用，水流在两叶片间的流速分布不均 匀，在较低负荷运行时，可能在叶片某部位形成涡流斟2 7 1 ，将会加强对叶片的空蚀作用、 泥沙对叶片磨损、切削等，这将降低水轮机的效率，并引起振动。为消除此影响，常采 用转轮设计为1 5 只长叶片和1 5 只短叶片的转轮。这样，短叶片使得转轮进口部分的流 态得到良好的控制，便泥沙跟随水流流动，减少泥沙对水流的扰动，对叶片的磨损、切 削。采用1 5 只长叶片和1 5 只短叶片转轮具有以下优点：水力条件好，转轮叶栅密度 增加，避免了流道中产生回流的影响，这是提高水力效率、降低振动的一个重要原因； 叶片受压面积增加，单位面积负荷减轻，叶片正背面压差减小，改善了转轮的空蚀性 能；部分负荷效率提高，即具有较宽的高效率区，从而也提高了水轮机的加权平均效 率；叶片较薄，简化了厚度变化，便于采用钢板模压。 1 4 本课题的主要研究内容 本文主要研究内容为： ( 1 ) 利用三维建模软件u n i g r a p h i c s 平台，对一长短叶片水轮机( h l a 5 4 2 i a 1 3 0 0 ) 进行蜗壳、导水机构、转轮及尾水管建模、网格划分。 ( 2 ) 采用数值模拟计算方法，分别在大流量、最优工况、小流量工况下进行清水 和沙水( 不同颗粒直径、不同颗粒体积浓度) 介质的水轮机内部流场进行数值模拟。 ( 3 ) 根据各工况点的数值模拟结果，分析沙水中水轮机内部流动机理、泥沙流动 规律。 方程( 3 ) 和( 4 ) 分别为流体动量方程的和投影式 固相动量方程 昙( 丸k ) + 毒( 九形圪) = 一万1 九瓦a p + 吩瓦。附瓦o g + 警) 】- 昙九九( k u ) + 九( 2 5 ) 4 西华大学硕士学位论文 上面各式中，和形分别为液相和固相的速度分量；p 为相材质密度；v 为相材质 运动粘性系数；p 为压强；g 为重力加速度分量；x t 为坐标分量；b = 1 8 ( 1 + b o ) p l v l d 2 ， 表示相间作用系数；d 为颗粒直径；鼠项的引入是为了考虑除s t o k e s 线性阻力作用外的 其它作用因素，一般情况下，鼠不为常教。它与颗粒雷诺数等流场参数有关；为相体 积数，并有关系方程：丸+ 磊= 1 ，脚标：l 和5 - 分别表示液相和固相，i , j ，k 为张量坐标。 2 3 两相流计算模型 下面介绍3 种多相流模型，即：v o f 模型，m i t u r e 模型和e u l e r i a n 模型。 ( 1 ) v o f 模型 v o f 模型通过求解单独的动量方程和处理穿过区域的每一流体的容积比来模拟两 种或三种不能混合的流体。典型的应用包括流体喷射、流体中大泡运动、流体在大坝坝 口的流动、气液界面的稳态和瞬态处理等。 ( 2 ) 混合物模型 混合物模型是一种简化的多相流模型，允许相之间相互贯穿，允许相以不同速度运 动，但假定了在短空间尺度上局部的平衡。相之间的耦合应当是很强的。也能用来模拟 有强烈耦合的各向同性多相流和各相以相同速度运动的多相流。 混合物模型可以模拟n 相( 流体或颗粒) 通过求解混合相的动量、连续性和能量方 程，第二相的体积分数方程，以及相对速度的代数表示。 混合物模型是欧拉模型在几种情形下的很好替代。当存在大范围的颗粒相分布或者 界面的规律未知或者它们的可靠性有疑问时，完善的多相流模型是不切实可行的。当求 解变量的个数小于完善的多相流模型时，像混合模型这样简单的模型能和完善的多相流 模型一样取得好的结果。 ( 3 ) 欧拉模型 欧拉模型可以模拟多相分离流以及相间的相互作用，相可以是液体、气体、固体的 几乎是任意的联合。采用e u l e r i n a 模型，第二相的数量仅仅因为内存要求和收敛行为而 受到限制。只要有足够的内存，任何数量的第二相都可以模拟。 含沙水中长短叶片水轮机内部流动的数值模拟 ：体积分数代表了每相所占据的空间，并且每相独自满足质量和动量 流动，f l u e n t 软件能包含升力和虚拟质量力的影响，对大粒子升力更 粒子和e l o s e yp a c k e dp a r t i c l e s 包含升力是不合适的；对多相流动，当 速时，f l u e n t 软件包含虚拟质量力的影响主相质量的惯性遇到加速得 一个虚拟质量力，当第二相的密度远小于主相的密度时，虚拟质量力 需考虑相间的相互作用，f l u e n t 软件提供了7 种相间作用模型。 型中：k 一模型内f l u e n t 提供三种模拟多相流中的紊流：混合紊流 型、每相紊流模型。混合紊流模型应用于相分离、分层( 或接近分层) 度比接近于1 的情形；分散紊流模型：当第二相的浓度稀时分散紊流 这种情形颗粒间的碰撞可忽略；每相紊流模型：为最普通的多相紊流 解一套k 和输运方程，当紊流传递在相间起重要作用时该紊流模型 6 西华大学硕士学位论文 3 含沙水中水轮机内部流动的数值模拟方法 3 1引言 f l u e n t 软件可用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。该软件提供 灵活的结构网格和非结构网格，对复杂区域及变形较大的物体进行划分网格，并可以对 整体或局部网格细化和粗化，由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而 能达到最佳的收敛速度和求解精度。因此，本研究采用f l u e n t 软件进行数值研究。 f l u e n t 软件也是一个求解器，提供非耦合隐式、耦合显式、耦合隐式三种算法， 主要功能包括导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解和 后处理。f l u e n t 软件与网格生成软件g a m b i t 有着极好的相容性，可生成供f l u e n t 软件直接使用的网格模型。f l u e n t 软件提供了各类c a d 软件包与g a m b i t 的接口【5 1 。 3 2 网格的生成 打开f l u e n t 软件，选择三维单精度，然后导入由g a m b i t 生成、输出的“m s h 文 件经t g r i d 处理、输出的“血s h ”文件。接下来进行网格检查、网格缩放和光顺网格与 交换单元面。网格检查是为了确定是否能直接用c f d 计算；网格缩放是为了改变网格 长度单位；光顺网格与交换单元面是为了提高网格质量。 3 3 求解器的选择 本文选用分离式求解器和隐式方案，参考压力为默认为标准大气压。清水介质及含 沙水都考虑重力因素。 3 4 计算模型的选择 水轮机内部流动介质无论是清水还是沙水，内部流动都是非常充分的湍流流动，可 选用标准k 一模型和r n gk 一模型，标准k s 模型用于强旋流、弯曲壁面流动或弯 曲流线流动时，会产生一定的失真。而r n gk 一模型考虑了流动中的旋转及旋流情况， 可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。本文选用r n gk 一模型。 对于近壁面流动采用标准壁面函数法确定。 3 5 边界条件的设置 3 5 1以清水为介质的边界条件 据 确 西华大学硕士学位论文 4 1引言 4 水轮机的三维几何造型及计算网格划分 要进行水轮机内部流动的数值模拟，首先是要建立三维高质量的几何物理模型( - - 维造型) ，并进行三维高质量网格的划分。转轮是水轮机的核心部件，是建模及网格划 分的重点、难点，也是水轮机内部流动分析的重点。本章将详细介绍利用u n i g r a p h i c s 软件对长短叶片水轮机各过流部件三维模型的建立和利用g a m b i t 软件对已建立的各过 流部件模型整体的网格生成。 4 2 三维几何造型的原理 三维造型的关键是曲线曲面的数学表述问题，在传统水轮机各过流部件三维造型中 是不存在的，是为使用计算机进行三维造型而专门建立的。结合叶片空间曲面的实际情 况，用数学表达式来构建，就是当前最流行非均匀有理化b 样条方法( n o n u n i f o r m r a t i o n a lb s p l i n e ) ，简称n u r b s 方法【2 9 】。n u r b s 数学表达式是一种复合体。 n u r b s 方法是能精确表示二次曲线与二次曲面的数学方法。n u r b s 曲线( 曲面) 在传统的制图领域是不存在的，能够比传统的网格建模方式更好地控制物体表面的曲线 度，从而能够创建出更接近实际的模型，其数表达式如下： n i m ( k ) r ；v i p f k l = 上l 一 n 油( k ) r ； p ( k ) 为曲线上的位置向量，n i m ( k ) 为m 次样条基函数。 基函数的表达式如下： n 油( k ) = ll 。( ( k 其i _ 它k ) k i + 1 ) n i ，m ( k ) = k i + m k ik i + m + l k i + 1 式中，p i 为控制点，r ；为权因子，k 为节点失量。 n u r b s 方法的优点如下； 1 ) n u r b s 能表示自由曲线曲面，也能精确表示圆锥曲线、二次曲线和规则曲线。 9 含沙水中长短叶片水轮机内部流动的数值模拟 2 ) n u r b s 具有影响曲线、曲面形状的权因子，可以设计相当复杂的曲线曲面形状。 便于设计者更灵活实现设计意图。 3 ) 对插入节点、修改、几何插值等处理能力较强。 4 ) n u r b s 方法是非有理b 样条方法的四维空间的直接推广，非有理b 样条、有 理b 样条及非有理b e z e i 样条的许多性质及相应应用可推广到n u r b s 曲线曲面 3 0 - 3 3 】。 4 3 实体造型的方法 在水轮机各过流部件中，叶片的造型是最复杂的，是水轮机的核心部件，对水轮机 的整体性能起到关键性作用，所以对水轮机叶片的三维造型即重要又复杂。我国传统上 采用木模图来表示叶片，并进行加工精度和测量精度的控制，得到较好的效果。但采用 木模图表示叶片这种形式也存在很多不足的地方，如无法研究叶片整体的几何特点和力 学特性；计算机和制造系统不能直接参于叶片的设计与制造，这将影响叶片各方面的质 量。而且加工费时，不能满足社会发展的需要。由于自由曲面造型技术的日趋成熟，流 体机械的空间曲面造型问题得到初步解决【3 4 琊】。 水轮机转轮叶片一直采用传统的“砂型铸造一砂轮铲磨一立体样板检测”的制造工 艺，这种工艺制造出来的转轮叶片在精度及综合性能上不能得到有效保证。计算机技术、 数控技术及多轴联动数控机床的发展，使精确加工水轮机叶片变成现实，要实现水轮机 过流部件的精确加工，数字化建模是基础。 4 4 水轮机的三维几何造型 u n i g r a p h i e s ( 简称u g ) 是全球主流m c a d 系统，是计算机辅助设计、辅助制造、 辅助工程和产品数据管理( c a d c a m c a e p d m ) 一体化的软件系统之一，有很多强 大的功能，能实现各种复杂三维的实体建模。采用复合建模技术，将实体建模、曲面建 模、线框建模、显于几何建模及参数化建模等建模技术融为一体，曲面建模以n u r b s 为基础，可用多种方法生成复杂曲面。该软件实现了将无厚度曲面壳缝合成实体，这是 u n i g r a p h i c s 软件的主要特征和优势。 本文基于u n i g r a p h i c s 平台，并借助于水轮机的二维图形设计，完成h l a 5 4 2 一l j 1 3 0 水轮机的蜗壳、导叶、转轮及尾水管几何数字化建模。 4 4 1 计算采用的水轮机的主要技术参数 。 本研究选用的长短叶片水轮机型号为h l a 5 4 2 l j 1 3 0 ，其主要技术参数见表4 1 和图 4 】。 1 0 西华大学硕士学位论文 表4 1 主要技术参数表 t a b 4 1t h et a b l eo fm a i nt e c h n i c a lp a r a m e t e r s 设计 设计 转速 固定活动 导叶 导叶分转轮 水头 流量 导叶 导叶 高度 布圆直导叶标称长叶短叶 ( m ) ( m 3 s ) ( r m i n ) 径类型直径片数片数 数量数量 ( n u n ) ( r a m )( m m ) 正曲率 2 5 05 0 77 5 091 61 5 61 3 5 01 3 0 01 51 5 导叶 模型综合特性曲线如图4 1 。 a5 4 2 - 5 0 模型转轮综合特性曲线 图4 1a 5 4 2 5 0 模型转轮综合特性曲线图 f i g 4 1s y n t h e t i cc h a r a c t e r i s t i cc u r v eg r a p ho fr u n n e rm o d e la 5 4 2 5 0 含沙水中长短叶片水轮机内部流动的数值模拟 4 4 2 蜗壳的几何数字化建模 蜗壳的主要作用是保证水流在进入导水机构前形成一定的环量，使得水流能够对称 地呈涡旋线形状，均匀向心地流入导水机构，并且使流量沿圆周分配均匀。根据水力设 计参数，蜗壳单线图如图4 2 所示。利用c a d 软件画出蜗壳各断面线，然后将各断面 线依次导入u n i g r a p h i c s 中，采用b 样条曲线将各个断面线进行拟合，得到各完整断面 曲线，再用过线建面方法生成薄壳结构的蜗壳内表面，最后通过缝合命令将上述光滑的 曲面缝合成实体。生成蜗壳三维实体如图4 3 所示。 l 7 7 入念 i 一 恐滠w ”。黝 霹科 n ! ! y 一 图4 2 蜗壳单线图图4 3 蜗壳三维图 f i g 4 2s i n g l el i n ed r a w i n go fs p i r a lc a s ef i g 4 3 3 dd r a w i n go fs p i r a lc a s e 4 4 3 导叶的几何数字化建模 导叶分为固定导叶和活动导叶。固定导叶与上下环形成过流通道并起到支撑机组转 动部分及发电机重量的作用；活动导叶调节水轮机运行中的流量及水流环量的作用。根 固定导叶的型线和型值点如图4 4 ，活动导叶的型线和型值点如图4 5 。 利用u g 将拟合成的翼型曲线将其生成三维实体。固定导叶三维实体如图4 6 ，活 动导叶三维实体如图4 7 ，导水机构流道三维实体如图4 8 。 西华大学硕士学位论文 一一 ，一 一h t 哆 电 m 。 专 8 富 暑 譬零 高 葛，v - f 够 ， 锚 2 ： 。 ： = = 1 ； _ - o - | 匏7 图4 4 固定导叶翼型图 f i g 4 4 t h ea i r f o i lo fs t a yg u i d ev a l l e ， ，i l ，# 、 分j 、 皇 卜- l萨套 _ l p 、- h s k 一一 一_ 一 毫蕞， ! 乏 、 - - ， 7 智 争_ _ 卜 - j - i j 、- 7 ，n 葛 二- 。、一l 一， j ， 叶 f 1 j v ， 7 。 _ ， - 一一，_ j _ 一一 、 歹矿 、_ 。 。 _ ；4 6 3 4 ”e + 。0 ：羔。瑟式妄。? o ， 。；，、 5 52 5 。+ o 。o 寥j 麓邂 ：二j 。! o 二遗、。：。，。+ ? j ：，；：屯害叭 二。 二。遍、 _ _ 。 4。67。e+047 0 0 尹弋蛩 4e +：弋i t 4o g e + 0 0 点p。：? 3 ：g e + 0 0警， 37 0 e + 0 0 一 i ? 3 35 0 3 1 ”e + ”0 0 一、p ， - ，r ? ： 。一 2 52e+027 3 o ：_ 。砖! 量乏：，e + 0 0 。 ( b ) 蜗壳横截面( z = 0 ) 液相和固相速度分布 图5 3 8 蜗壳内部流动特征 f i g 5 3 8 f l o wc h a r a c t e r i s t i c so fc a s i n g 5 2 愿隧-慝叠曩譬-，慝蹬?鳖 西华大学硕士学位论文 ( a ) 长叶片工作面和吸力面固相浓度分布 愚聪蠢，黢雕醢 曩醚_o爨隧鋈 罴一r黧瞄 ( d ) 短叶片工作面和吸力面固相浓度分布 1 1 9 + 0 6 11 3 + 0 6 0 5 e + 0 6 9 9 3 + 0 5 9 ，2 7 e - 0 5 86 1 + 0 5 7 9 5 0 - 0 5 7 2 9 + 0 5 6 6 3 e - - 0 5 5 9 7 e + 0 5 53 1 e + 0 5 46 5 0 - 0 5 39 9 e + 0 5 3 3 3 + 0 5 2 6 7 e + 0 5 2 0 1 + 0 5 5 4 9 e + 0 1 5 2 7 e + 0 1 5 0 5 e + 0 1 48 2 + 0 1 46 0 0 + 0 1 43 8 e + 0 1 4 1 5 + 0 3 台3 e + 0 1 37 1 e + 0 1 3 4 8 0 + 0 1 32 6 + 0 1 30 4 - e + 0 1 28 1 + 0 1 2s 9 0 1 2 3 7 e + 0 1 2 4 + 0 1 西华大学硕士学位论文 2 4 9 e + 23 3 e + 0 6 21 8 0 + 0 6 1 口9 e + 0 6 18 3 e + 0 6 1 6 6 e + 0 6 1 4 0 e + 0 6 1 3 3 e + 0 6 1 1 6 e + 0 6 g9 5 e + 0 5 82 9 e + 0 5 66 2 0 4 0 5 4 9 6 e + 0 5 32 9 e + 0 5 16 3 e 0 5 38 e ；+ 0 3 ( f ) 短叶片工作面和吸力面固相速度分布 图5 4 0 转轮内部流动特性 f i g 5 4 0 f l o wc h a r a c t e r i s t i c so fr o t o r _ 譬 _您熙隧弼糜隧嘲黼譬曩麟h隧鬣一鹚譬 一鬯。雕一一黼礤翳融雷 ( 1 ) 小颗粒工况：颗粒直径为o