（流体机械及工程专业论文）弯肘式尾水管三维流场的分析研究.pdf

、 r 一一 西华大学学位论文独创性声明 糯 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。 嚣潞炉日期：础阜多闷子因。 誓翥鬈蔼和迂 日期刎婢绷8 闺 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期：l 蝣多日彩紫焉二貉- ，v。j一 日期励详么闰莎固炉 5 誓 1 ， _ = i p - ， 0 、 ， 西华大学硕士学位论文 摘要 水轮机的尾水管是水轮机能量回收的重要过流部件，对水轮机发电机组整体能量特 性和运行稳定性具有直接的影响。水轮机尾水管内部流场分析是水轮机优化设计的关键 步骤，利用三维粘性计算流体动力学软件应于水轮机尾水管内部的流动特性分析，较为 真实地反映出水轮机尾水管内部流动规律。 本论文针对某电站实际情况，对水轮机尾水管部分改型前后进行分析，首先用u g 建模软件建立了水轮机尾水管的三维模型，并将建好的水轮机尾水管模型导入g a m b i t 软件中，对其进行网格划分，在f l u e n t 软件中应用不可压缩的连续方程和r e y n o l d s 平均的n 。s 方程，模拟尾水管中的流动，同时使用r n g k 一占模型使方程组封闭。重点 针对将改型后的混流式水轮机尾水管和原型尾水管在不同工况下较为全面的进行数值 计算，从定量和定性两个方面评价改型后尾水管的性能。该研究具有一定的实际应用 价值，可作为尾水管优化设计的参考。 关键词：水轮机；尾水管；三维建模；数值模拟 弯肘式尾水管三维流场数值模拟研究 a b s t r a c t t u r b i n ed r a f tt u b ei sa l li m p o r t a n te n e r g yr e c o v e r yt u r b i n ef 1 o w p a s s a g ec o m p o n e n t s ，t h e o v c r a l le n e r g yo f t h et u r b i n eg e n e r a t o rc h a r a c t e r i s f f c sa n ds t a b i l i t yo f o p e r a t i o nh a v ea d i r e c ti m p a c t d r a f tt u b et u r b i n ef l o wf i e l d a n a l y s i s i sak e ys t e pi n o p t i m i z i n g t h e d e s i g n ，u s eo f t h r e e - d i m e n s i o n a lv i s c o u s c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r es h o u l da n a l y z et h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so ft h et u r b i n e ，t h em o r et r u l yr e f l e c t 也ef l o wi n 也et u r b i n e m st h e s i sf o c u s e so n 也ea c t u a ls i t u a t i o no fap o w e rs t a f f o n ，p a r to f 也ed r a f tt u b ew e r e a n a l y z e db e f o r ea n da f t e rm o d i f i c a t i o n ，f i r s te s t a b l i s h c dw i t ht h eu gm o d e l i n gs o f t w a r e c o m p o n e n t s ，t u r b i n ed r a f tt u b ef l o wt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ed r a f tt u b em o d e lw i l lb eb u i l t i n t og a m b i ts o f t w a r e ，i t st om e s hi nf l l j e 】q ts o f t w a r ea p p l i c a t i o n si n c o m p r e s s i b l ec o n t i n u i t y e q u a t i o na n dt h er e y n o l d sa v e r a g e dn se q u a t i o n st os i m u l a t et h ef l o wi nt h ed r a f tt u b e ，w h i l eu s i n g t h es t a n d a r dk et u r b u l e n c em o d e lt om a k eb o t he q u a t i o n se l o s e d f o c u s i n go nf r a n c i sa f t e rt h e m o d i f i e dd r a f tt u b ea n dap r o t o t y p et u b eu n d e rd i f f e r e n te o n d i f f o n sam o r ec o m p r e h e n s i v e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，b o 也q u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o no fr e m o d e l i n ga f t e rt 1 1 ee n do f t h ew a t e r p i p e s t h es t u d yh a ss o m ep r a c t i c a lv a l u e ，o p t i m a ld e s i g nc a nb eu s e da sar e f e r e n c et u b e k e yw o r d s ：h y d r a u l i ct u r b i n e ；d r a f tt u b e ；3 一dm o d e l i n g ；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 摘要 水轮机的尾水管是水轮机能量回收的重要过流部件，对水轮机发电机组整体能量特 性和运行稳定性具有直接的影响。水轮机尾水管内部流场分析是水轮机优化设计的关键 步骤，利用三维粘性计算流体动力学软件应于水轮机尾水管内部的流动特性分析，较为 真实地反映出水轮机尾水管内部流动规律。 本论文针对某电站实际情况，对水轮机尾水管部分改型前后进行分析，首先用u g 建模软件建立了水轮机尾水管的三维模型，并将建好的水轮机尾水管模型导入g a m b i t 软件中，对其进行网格划分，在f l u e n t 软件中应用不可压缩的连续方程和r e y n o l d s 平均的n s 方程，模拟尾水管中的流动，同时使用r n g k 一占模型使方程组封闭。重点 针对将改型后的混流式水轮机尾水管和原型尾水管在不同工况下较为全面的进行数值 计算，从定量和定性两个方面评价改型后尾水管的性能。该研究具有一定的实际应用 价值，可作为尾水管优化设计的参考。 关键词：水轮机；尾水管；三维建模；数值模拟 弯肘式尾水管三维流场数值模拟研究 a b s 仃a c t t u r b i n ed r a f tt u b ei sa ni m p o r t a n te n e r g yr e c o v e r yt u r b i n ef l o wp a s s a g ec o m p o n e n t s ，t h e o v e r a l le n e r g yo f t h et u r b i n eg e n e r a t o rc h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a b i l i t yo f o p e r a t i o nh a v ead i r e c ti m p a c t d r a f tt u b et u r b i n ef l o wf i e l d a n a l y s i si s ak e ys t e pi n o p t i m i z i n g t h ed e s i g n ，u s eo f t h r e c - d i r n e n s i o n a lv i s c o u sc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r es h o u l da n a l y z et h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so ft h et u r b i n e t h em o r e t r u l yr e f l e c t 也ef l o wi nt h et u r b i n e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ea c t u a ls i t u a t i o no fap o w e rs t a t i o n p a r to ft h ed r a f tt u b ew e r e a n a l v z o db e f o r ea n da f t e rm o d i f i c a t i o n , f i r s te s t a b l i s h e dw i t ht h eu gm o d e l i n gs o f t w a r e c o m p o n e n t s ，t u r b i n ed r a f tt u b ef l o wt h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo ft h ed r a f tt u b em o d e lw i l lb eb u i l t i n t 0g a m b i ts o f t w a r e ，i t st om e s hi nf i u e n ts o f t w a r ea p p l i c a t i o n si n c o m p r e s s i b l ec o n t i n u i t y e q u a t i o na n dt h er e y n o l d sa v e r a g e dn se q u a t i o n st os i m u l a t et h ef l o wi n t h ed r a f tt u b e ，w h i l eu s i n g t h es t a n d a r dk et u r b u l e n c em o d e lt om a k eb o t he q u a t i o n sd o s e d f o c u s i n go nf r a n c i sa f t e rt h e m o d i f i e dd r a f tt u b ea n dap r o t o t y p et u b eu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sam o r ec o m p r e h e n s i v e n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，b o t hq u a n t i t a t i v ea n dq u a l i t a t i v ee v a l u a t i o no fr e m o d e l i n ga f t e rt h ee n do f t h ew a t e rp i p e s 1 1 1 es t u d yh a ss o m e p r a c t i c a lv a l u e ，o p t i m a ld e s i g nc a nb eu s e d a u sar e f e r e n c et u b e k e yw o r d s ：h y d r a u l i ct u r b i n e ；d r a f tt u b e ；3 一dm o d e l i n g ；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 要一i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 水轮机研究现状和进展3 1 3 尾水管内部流动研究现状6 1 3 1 尾水管内部流动的特征6 1 3 2 尾水管数值模拟的研究现状一6 1 4 论文的主要研究内容8 2 水轮机尾水管的三维建模9 2 1水轮机基本技术参数9 2 2 尾水管的基本形式9 2 3 三维实体建模u g 软件介绍1o 2 3 1u g 三维实体建模流程1 0 2 3 2 三维建模原理1 l 2 4 原型尾水管的建模1 2 2 4 1 原型尾水管的基本参数。1 2 2 4 2原型尾水管的三维建模1 4 2 5 改型尾水管的建模1 4 2 5 1改型尾水管的基本参数1 4 2 5 2改型尾水管的三维建模1 6 2 6 本章小结1 7 3网格的生成及数值模拟基本理论和方法18 3 1 网格划分理论1 8 3 1 1 网格生成技术概述。1 8 3 1 2 网格生成方法19 3 2 水轮机尾水管网格划分2 0 3 3 数值模拟基本理论和方法2 3 3 3 1 湍流运动的基本控制方程2 3 3 3 2 控制方程的离散方法2 4 3 3 3 离散格式2 5 i i i 弯肘式尾水管三维流场数值模拟研究 3 3 4 湍流模型。2 5 3 4 本章小结2 9 4 尾水管三维流场的数值模拟3 0 4 1f l u e n t 软件概述。3 0 4 2f l i j e n t 的求解过程3 0 4 3 尾水管三维流场数值模拟3 1 4 3 1 初始条件和边界条件3 1 4 3 2 水轮机尾水管数值模拟与性能预测3 3 4 4 本章小结4 4 结论与展望。4 6 1 、结论4 6 2 、存在问题4 6 3 、展望4 7 参考文献4 8 攻读硕士学位期间发表学术论文情况5 1 致谢5 2 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 。1 课题研究的背景和意义 水资源既是清洁能源，又是可再生能源。在中国广阔的国土上，河流众多，径流丰 沛、落差巨大，蕴藏着非常丰富的水能资源。据统计，中国河流水能资源蕴藏量6 7 6 亿k w ，年发电量5 9 2 0 0 亿k w h ；可能开发水能资源的装机容量3 7 8 亿k w ，年发电量 1 9 2 0 0 亿k 矾1 。不论是水能资源蕴藏量，还是可能开发的水能资源，中国在世界各国 中均居第一位。我国水电开发已进入高峰期，截至2 0 0 9 年，目前装机容量达1 7 亿千瓦， 年发电量5 6 0 0 亿千瓦小时，在建规模约7 0 0 0 万千瓦，居世界首位。水电已占全国电力 总装机的2 1 6 ，小水电资源技术可开发量达1 2 8 亿千瓦，同样居世界首位。全国水能 蕴藏量，划分为十个流域( 片) 统计，如下表所示 表1 1 全国各流域出力和发电量统计表 t a b l e1 1t h et a b l eo fo u t p u ta n dg e n e r a t e de n e r g yi na l lt h ec o u n t r y 可能开发的水能资源，除已建、在建的以外，对于尚未开发的水能资源，按照其勘 测设计工作的深度，分为四类。一类资源，地质勘测、工程设计做得比较多，已达到选 坝址阶段或初步设计阶段。二类资源，已进行了一定的地质勘测和规划设计工作，对建 弯肘式尾水管三维流场的分析研究 设条件有了一般了解。三类资源，只进行过现场查勘，拟定了梯级布置，未进行地质钻 探。四类资源，未进行过查勘，只在室内进行过研究和估算。 据统计，中国水能资源可能开发率，即可能开发的水能资源的年发电量与水能资源 蕴藏量的年发电量之比为3 2 n 1 。 中国可能的开发水能资源，分十个流域( 片) 统计如下表所示 ， 表1 2 全国各流域总装机量和发电量统计表 t a b1 2t h et a b l eo ft h et o t a li n s t a l l a t i o na n dg e n e r a t e de n e r g yi na l lt h ec o u n t r y 根据我国能源规划，未来1 5 年国家将加快流域的水电梯级开发力度。2 0 2 0 年以前， r 1 我国的水电装机将达到3 亿千瓦，装机容量将占全国电力总量的2 6 左右h 。然而，水 轮机是整个水电站的核心设备，其能否稳定运行直接关系到水利发电工程的经济效益。 水轮机是将水能转化为电能的核心部件，也是整个水电站的核心设备。水轮机按照 工作原理的，分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流 的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能向机械能的转换，冲击式水轮 机主要有切击式水轮机、斜击式水轮机、双击式水轮机等；反击式水轮机的转轮在水流 中受到水流的反作用而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力 能向机械能的转换。反击式水轮机包括很多种，混流式水轮机就是反击式水轮机一种p j 。 混流式水轮机是由美国工程师j b 弗朗西斯( f r a n c i s ) 于1 8 4 9 年发明，故又称为f r a n c i s 2 西华大学硕士学位论文 水轮机。在混流式水轮机中，水流径向流入、轴向流出。混流式水轮机以其技术成熟、 造价低廉，是世界上使用最广泛的一种机型。而目前我国水电站也是以混流式水轮机应 用最多。 尾水管作为反击式水轮机的重要过流部件之一，其主要作用是除了将水流引向下游 外，还可以回收一部分水流能量。也就是说，装置了尾水管能够使水轮机转轮出口处水 流能量有所降低，增加了转轮前后的能量差。尾水管能够利用一部分原来被舍去的能量， 故而称为回收能量。目前，常用的尾水管有直锥形尾水管、弯肘型尾水管、弯锥型尾水 管三种。其中，弯肘型尾水管在大中型水电站应用较多，对于大型水轮机机型，如采用 直锥形尾水管，将会带来巨大的挖掘，因而是不经济的，所以尽管弯肘型尾水管的水力 损失大些，水力性能不如直锥形尾水管，但由于挖深较小，大型水轮机仍全部采用弯肘 型尾水管。弯肘型尾水管由三部分组成。进口锥管，肘管及出口扩散管。 上个世纪八、九十年代开始，计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简 称c f d ) 开始成为流体机械研究领域的一种重要模拟软件。利用c f d 技术对水轮机过 流部件进行内部流场模拟，发现过流部件在不同工况点下的内部流动规律以及影响其性 能的主要因素，随着计算流体力学的发展，数值模拟己成为了研究流体力学的重要手段， 并且得到迅速发展，由于它具有消耗少，时间短，省人力物力等特点，便于优化设计， 比实验研究更自由，更灵活，还能够对实验难以量测的数据做出估计，以及具有很好的 重复性，条件易于控制，可以不断地改进，模拟计算，再改进，再模拟计算，和它的逼 真性等优点，并在这个基础上开发出性能优良的新水力模型，已经成为水力机械开发、 研究的基本手段之一一。 1 2 水轮机研究现状和进展 效率、空化和稳定性是水轮机机组的三大问题，水轮机的效率已经达到9 4 以上， 但随着水轮机的水头和容量的变化，其运行过程中的不稳定性也逐渐显现出来。目前对 于水力机组压力脉动及其水力振动的研究方法，从大量的资料文献来看。主要分两个方 面：一是以试验研究为主要手段，二是以数值模拟为主要手段。 水轮机内部流动研究大致经历了从一维，二维，准三维，三维无粘性p 1 ，全三维有 粘性的发展过程。5 0 一7 0 年代，二维势流即假设流动不可压、无旋、无粘：只求解1 个变 量( 势函数或流函数) ，不考虑三维效应、旋转效应和粘性效应。这种方法只局限于简单 的导叶、轴流式水轮机叶栅等的计算；8 0 年代，三维势流即假设流动不可压、无旋、无 粘：只求解1 个变量( 势函数或流函数) ，不考虑旋转和粘性效应，但考虑三维效应，无法 计算效率。这种方法用于分析转轮内的流态、可以在设计工况点附近得到较合理的速度 弯肘式尾水管三维流场的分析研究 和压力分布；5 0 8 0 年代，准三维即假设流动不可压，用s l ，s 2 流面迭代求解，可考虑 有旋效应和三维效应：与边界层理论结合，可粗略计算粘性损失和计算效率，这种方法用 于分析转轮、导叶内的流动，可以在设计工况附近得到较合理的速度、压力分布，应用 较广：8 0 9 0 年代，三维欧拉即假设流动不可压、无粘；求解4 个变量( 三个速度分量和压 力) ：考虑三维、有旋效应：但不考虑粘性效应，无法计算效率。这种方法用于分析转轮、 导叶及其他过流部件内部流动，可以在分布：8 0 至今，三维湍流( 定常) 即假设流动 不可压：考虑三维效应、有旋效应、粘性效应：主要利用各种湍流模型求解，这种方法 用于转轮及各过流部件内流动分析，可以在较大的工况范围内得到较合理的速度、压力 等分量的分布，用于转轮及各过流部件的优化设计及性能预估。1 9 9 8 一至今，三维湍流 ( 非定常流) 即假设流动不可压、非定常，考虑三维效应、有旋效应、粘性效应利用各 种湍流模型，这种方法用于分析导叶尾部及转轮出口卡门涡列，静动翼干涉( r s i ) 等 不稳定因子对混流式水轮机稳定性的影响。2 0 0 0 至今，大涡模拟和直接数值模拟即假 设流体弱可压、非定常，考虑雷诺应力各向异性效应，利用“亚格子”方法考虑流动中小 尺度涡对于大尺度涡的影响。 近年来，水轮机内部流动的数值模拟和性能优化技术已取得了很大的发展。其研究 内容主要包括计算区域的确定与网格划分，建立描述流体运动的数学模型，选择或发展 合适的数值离散方法，在求解域内对流动方程进行离散并形成代数方程组，代数方程的 求解，针对计算结果分析，返回过流部件的几何模型，再进行数值分析，直至达到满意 的结果6 1 。 有关压力脉动和水力振动的实测和实验研究还很岁1 1 j 4 1 。这些研究内容在压力脉动 形成机理的研究方面是有代表性的，并且这些研究成果主要建立在大量模型试验和电站 调查结果的基础上；与此同时，国内外的学者和专家也充分认识到仅从其外在表现及传 统的流场测试手段来研究和认识尾水管涡带压力脉动机理是不足的。近年来，计算机的 技术飞速发展和紊流数值模拟理论的不断改进，通过数值仿真逐步代替物理实验来提供 精确的流场研究有了希望。基于这种认识，一些学者开始致力于通过数学模拟的手段来 研究这一问题。 目前，水力机械的c f d 分析在国内外得到广泛应用，尤其在水轮机过流部件的水 力设计中都采用c f d 分析代替部分试验方案的筛选，关于水轮机内部流动的数值模拟， 有很多届l a h r 水力机械会议文集的论文基本上代表了当今世界水力机械领域内部流 动的数值模拟研究现状。水力机械工程中大部分都采用雷诺平均n a v i e r - s t o k e s 方程和 七一s 紊流双方程模型，并用有限元或有限体积法进行模拟，计算结果基本上能满足工 程要求。 4 西华大学硕士学位论文 国内外各种数值模拟模型有r 一占双方程湍流模型，体积分数湍流模型，代数应力 湍流模型等等，其计算方法也层出不穷：准三维法，三维势流法，三维欧拉法，全三维 粘性流法等。这些模型与计算方法只是在不同的范围里，计算得出了各自的结果。但是， 随着市场的开放和竞争机制的引入，国内外的水力机械行业面临着巨大的挑战。用户对 厂家提出的性能指标是越来越高：高的效率，高的抗空化性能，良好的运行稳定性，合 理的运行范围等。作为厂家和科研机构，只有依靠先进的技术才有可能立于不败之地。 就转轮的设计和生产而言，无论是对新建电站的转轮的设计还是对已建电站的转轮的修 形改造，在投标的方案中都要对所提出的转轮主要运行特性进行必要的预测和评估。在 这方面先进的c f d ( c o m p u t e rf l u i dd y n a m i c ) 技术显示出极大的优势。现在国外 的一些大公司在投标时往往采用无转轮投标。其投标方案一般是通过转轮设计程序设计 的优化方案，并采用先进的流场分析软件对设计方案进行仿真和性能预估，用数值模拟 部分代替模拟实验，为用户提供转轮的性能指标。在中标后较短时间内就可研制生产出 高性能的转轮，这样既缩短了研制周期，又降低了研制费用，在市场竞争中具有很大的 优势。而我国长期以来，新转轮开发研制的主要手段是根据经验，设计不同的方案，然 后对各种方案进行模型实验，根据实验结果的比较，进一步改进方案或确定最终设计方 案。这样做其代价往往是相当高的：高昂的实验费用和模型制造费用，烦琐的重复性劳 动，大量的人力物力投入，漫长的研制周期等。有时甚至经过多种方案实验后仍得不到 满意的结果。所幸的是，现在c f d 技术的重要性正在逐渐被认识，随着计算机技术的 日新月异和c f d 技术的日趋成熟，转轮内的流动模拟正日益成为水力机械研究人员重 要的辅助手段。事实上，考虑到湍流流动的复杂性，以及各个不同工况下的差异性，人 工手算是根本办不到的。我们有理由相信在不久的将来，只要加强相关配套的设施，一 定会使水轮机内部流场的计算工作大大减化，并会进一步提高流动计算的准度和精度。 流场数值模拟技术的发展为研究尾水管涡带脉动机理提供了可能性。数值模拟技术 可以使我们全方应了解尾水管涡带形态、流道内部流场及其与运行工况和几何参数间的 关系。同时，如果一种数值模拟方法能够较准确地计算和预测尾水管内涡带引起的压力 脉动的频率、幅值等特征，这对水轮机水力设计和总体性能预测将是极有效的。在国外， 相关的资料并不多见，因此，在此方面的研究即使在在国际上也是具有先进水平的。不 言而喻，这个方向是极有前景的。但同时，由于偏工况时水轮机内部流态复杂，充满回 流和漩涡，这无疑也是数值模拟中需要解决的主要问题。 实际上，随着c f d 商业软件( 如f l u e n t 、c f x ) 的普及，c f d 数值模拟已经进 入实用阶段，成流场模拟分析的首选软件。 弯肘式尾水管三维流场的分析研究 1 3 尾水管内部流动研究现状 1 3 1 尾水管内部流动的特征 尾水管是实现机组对能量回收的重要部件【9 】，对水轮机机组的整体能量特性和稳定 运行具有很大的影响。尾水管的性能与其几何设计的外形有密切的关系，尾水管设计的 合理，内部流动均匀稳定，二次流动现象不严重，损失小，回能系数高。如果设计不符 合实际情况，可能就出现内部有较大的回流和弯管处的对流现象，造成尾水管的振动加 大，使机组运行处于不稳定状态。在尾水管的设计过程中，就必须不断优化设计尾水管 的几何形状，使其内部流动顺畅，减少不必要的水力损失。防止二次回流现象来达到提 高水轮机尾水管性能的目的。尾水管中的流动时水轮机流道中较为复杂的一部分，由于 存在水流从纵向向水平方向的转弯，流动受到离心力的作用而存在二次流动。同时，尾 水管的过流断面沿流向存在扩散、收缩、再扩散的过程，流动的调整过程也会产生复杂 的局部脱流和回流的现象。当水轮机在偏离最优工况运行时，进入尾水管的流动就更加 复杂，水流夹带着空蚀气泡在离心力的作用下形成与水流共同旋转的尾水涡带，尾水涡 带在周期性非平衡因素的影响下产生偏心，并以低频的周期在尾水管内旋转，撞击着尾 水管的壁面，所形成的反射波向上游传播，造成机组出力的摆动和尾水管的压力脉动， 诱发转轮叶片产生疲劳裂纹，是水轮机组动力学问题的主要原因之一。 尾水管的作用是将转轮出口的水流动能和高于下游尾水面得位能转换为附加真空， 使能量得以回收利用，一般说来，尾水管的性能以它的回能系数来衡量。尾水管要完成 回能的任务，就必须具有一定长度和扩散度。从经济角度来讲，若按回能要求达到的尾 水管长度进行制造，电站的开挖将大大增加。为减少开挖量，降低成本，一般将尾水管 的后段弯曲九十度左右，使尾水管的整个高度降低。尾水管在弯曲以后，形成了肘管部 分和后面的矩形扩散段，形状上肘管还有由圆形断面逐渐过渡到矩形断面，几何形状非 常复杂。 1 3 2 尾水管数值模拟的研究现状 尾水管的现代研究方法基于对尾水管内部流场分析，s h y y 和b r a a t e n 最早应用k 一占 型的湍流计算方法对水轮机尾水管的稳态流动进行研究，从技术上验证了k 一占模型在尾 水管流动计算的可行性。其后，s h y y 与v u 合作，改进了计算条件和某些处理方法，计 算了尾水管稳态流场。尾水管内部流动的研究虽然源于国外，但是我国经过这些的发 展和科学工作者的研究探索，目前对尾水管的研究已经和国外基本同步。朱斌采用k 一占 模型对传统标准型尾水管的稳态流场进行了计算，得到了尾水管中主要的流动物理现 6 西华大学硕士学位论文 象。总体来讲，国内外对尾水管的数值研究都经历了恒定到非恒定，无粘到有粘，准三 维到全三维的过程。 我国科学界许多专家也从不同角度，变化思维，深入地对尾水管内部流动数值模 拟进行了研究，就国内尾水管流动近十年来的主要成果按时间顺序如下表5 3 ： 表1 3 近年国内工作者计算所采用的模型 t a bi 3c o m p u t a t i o n a lm o d e lu s e db yn a t i o n a lw o r k e r si nr e c e n ty e a r s 时间 题目作者作者所在单位湍流模型 大涡模拟方法计算尾水管内非定常周杨建明等清华大学大涡模拟 2 0 0 1 年 期性湍流人 尾水管涡带引起的不稳定流动计算与王正伟等清华大学r n g k 一占 2 0 0 2 年 分析r e a l i z a b l e k s 2 0 0 2 年 混流式水轮机压力脉动预测张梁等人清华大学r n g 尼一占 弯肘型尾水管非定常涡旋流动数值模诸葛伟林武汉大学 a r s m ( 代数雷诺应 2 0 0 3 年 拟等人 力模型) 三峡水轮机的非定常湍流计算及整机刘树红等 清华大学 r n g 七一占 2 0 0 4 年 压力脉动分析人 原型水轮机的非定常湍流计算和尾水 刘树红等清华大学 r n g 七一 2 0 0 5 年 管压力脉动分析人 贯流混流式水轮机尾水管压力脉动分符杰等人西华大学大涡模拟 2 0 0 5 年 析 非定常流弯肘型尾水管不规则压力脉韩凤琴等华南理工大学r s m 雷诺应力湍流 2 0 0 6 年 动预澍人模型 混流式水轮机尾水管非定常流动模拟桂中华等中国水利水电科k 一占双方程模型 2 0 0 6 年 及不规则压力脉动预测人学研究院 三峡水轮机尾水管涡带的c f d 数值张双全等华中科技大学 r s m 2 0 0 6 年 模拟人 混流式水轮机尾水管漩涡流的l e s 法刘小兵西华大学大涡模拟 2 0 0 7 年 预测 低水头混流式水轮机蜗壳和尾水管结王正伟等清华大学s s t 切应力输运模 2 0 0 8 年 构变化对流动损失的影响研究 人型 三维非定常湍流尾水管涡带数值模拟 高忠信等中国水利水电科 r n g 七一占 2 0 0 9 纯 人学研究院 混流式水轮机的三维湍流流场分析与 辛拮等人中国农业大学k 一占紊流模型 2 0 1 0 矩 性能预测 弯肘式尾水管三维流场的分析研究 1 4 论文的主要研究内容 因此本文主要针对混流式水轮机尾水管进行数值模拟，研究其改型前后两种4 h 型 尾水管内的流场特性。具体的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 进行了广泛的国内外文献资料的搜集和阅读，拓宽了在水轮机c f d 领域的专业知 识水平，确定了论文研究的方向和采用的技术路线。 ( 2 ) 通过对东风电机厂有限公司、四川省金堂水电设备制造股份公司、五一桥水电 站等企业进行调研，加深了对水轮机各过流部件的认识，同时也为论文的建模工作奠定 了基础。 ( 3 ) 采用三维设计软件u g 建立了不同工况点下的混流式水轮机尾水管内部流场的三 维实体模型。 ( 4 ) 通过对不可压粘性流动数值求解理论和方法的分析，提出了适合于混流式水轮 机尾水管内部流动的数值求解方法。 ( 5 ) 在g a m b i t 软件中进行网格划分，导入专业流体计算软件f l u e n t 求解计算。得 到尾水管内流场的速度分布和压力分布等，从定量和定性两个方面评价尾水管的性能为 尾水管的优化设计提供参考。 8 西华大学硕士学位论文 2 水轮机尾水管的三维建模 2 。1 水轮机基本技术参数 本文以h l l 8 0 a 1 9 4 i j 1 0 0 为例，对其尾水管进行数值模拟。其主要参数如表2 1 。 表2 1 水轮机的基本参数 t a b2 1t u r b i n ep a r a m e t e r s 额定水头 1 0 2 m 额定出力 6 7 6 8 0 k w 额定转速7 5 0 r m i n额定流量 7 5 7 m 3 s 效率 9 0 5 肘管型号弯肘型 2 2 尾水管的基本形式 尾水管的型式主要有以下三种h 1 ： ( 1 ) 直锥形尾水管。当尾水管的轴线为直线时，称为直锥形尾水管。这是一种最 简单的扩散形尾水管，如图a 所示。因为在直锥形尾水管内部水流均匀，阻力小，所以 水力损失很小，恢复系数叩。比较高，一般可以达到8 3 以上，这种尾水管广泛地使用 在中小型水电站中( 转轮直径d 0 5 - - 0 8 m ) 。直锥管的母线多数是直线，也有母线为 曲线而使管子呈喇叭状。 ( 2 ) 弯锥形尾水管。它由两部分组成，如图c 所示，等圆断面的弯管和竖直的圆 锥管段，转弯角度一般为9 0 ”。它主要用在小型卧轴式水轮机上，已使电站布置方便。 弯管的形状较肘管简单，易于制造。但是弯管为等断面，其中水流速度较大，所以水力 损失较大，并且拐弯后速度分布不均，这使得水流在直锥扩散管中流态恶化，一般恢复 系数在0 4 - - , 0 6 之间。 ( 3 ) 弯肘形尾水管。当尾水管的中心线具有9 0 ”或接近9 0 ”的转弯时，则称为弯曲 形尾水管。，如图b 所示，对于大型水轮机机组，如采用直锥形尾水管，将会带来巨大 的挖深，因而是不经济的。所以尽管弯肘形尾水管的水力损失大些，水力性能不如直锥 形尾水管，但由于挖深较小，大型水轮机仍全部采用弯肘形尾水管。弯肘形尾水管由三 部分组成。进口锥管，肘管及出口扩散管。进口锥管是一竖直的圆锥扩散管。肘管是一 个9 0 ”的弯管，它的进口断面为圆形，出口断面为矩形。这种尾水管的恢复系数为 o 6 0 7 5 。 9 弯肘式尾水管三维流场的分析研究 削4 【c ) 弯时形 图2 1 尾水管的三种形状 f i g 2 1 t h r e et u b es h a p e 2 3 三维实体建模u g 软件介绍 u g ( 全称为：u n i g r a p h i c s ) 软件1 是一个交互式c a d c a m ( 计算机辅助设计与计算机 辅助制造) 系统，它功能强大，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。u g 采用了 n u r b s ，b 样条，b e z i e r 数学基础，同时保留解析几何实体建模方法，造型能力较强。 其曲面建模完全集成在实体建模中，并可独立生成自由形状形体，以备实体设计时使用。 而许多曲面建模操作可直接产生或修改实体模型，曲面壳体、实体与定义他们的几何体 完全相关。u g 软件实现了面与体的完美集成，可将无厚度曲面壳缝合到实体上，总体 上，u g 的实体化曲面处理能力是其中主要特征和优势。 u g 是一个全三维、双精度系统，可以用它来精确地描绘任何几何形状。通过组合 这些形状，可以建立各种复杂程度产品的三维参数化实体装配模型和部件详细模型，自 动生成工作图纸( 半自动标注尺寸) ；设计小组间可以进行协同设计；可应用于各行业 和各种类型产品的设计，支持产品外观造型设计。所设计的产品模型可进行虚拟装配和 各种分析，省去了制造样机的过程。 2 3 1 u g 三维实体建模流程 三维实体建模的方法很多，随着建模特征对象的不同创建过程也不尽相同，在尾水 管流场模型的构建过程中，其基本思想川可如图2 2 的方式所示： 1 0 西华大学硕士学位论文 图2 2 模型构建流程图 f i g 2 2 m o d e lf l o wc h a t 2 3 2 三维建模原理 三维造型中的关键是曲线曲面的数学表述问题。在水轮机的三维造型中，与传统的 圆柱形叶片不同，转轮叶片多为复杂的三维空间扭曲曲面，因此叶片表面及其控制线的 造型至关重要。结合扭曲叶片的实际情况，这两部分的数学模型，采用当前最流行非均 匀有理化b 样条方法( n o n - - u n i f o r mr a t i o n a lb - - s p l i n e ) ，简称n u r b s 方法1 。 该方法的突出优点是可以精确地表示二次规则曲线( 面) ，从而能用统一的数学形 式表示规则曲线( 面) 与自由曲线( 面) ，其它非有理方法无法做到这一点；而且该曲 线具有可影响曲线( 面) 形状的权因子，使形状更宜于控制和实现。国际标准化组织( i s o ) 于1 9 9 1 年颁布了关于工业产品数据交换的s t e p 国际标准，将n u r b s 方法作为定义工 业产品几何形状的唯一数学描述方法，从而使n u r b s 方法成为曲线曲面造型技术发展 趋势中最重要的基础。 n u r b s 曲线是有分段有理b 样条多项式基函数定义的，其表示式如下： w , e j v , 。( t ) p ( f ) = 号一 w m ，。( t ) r 刖：掣 w m ，。( t ) 一 - - z 只r ，。( t ) i = 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 弯肘式尾水管三维流场的分析研究 其中，r 。( t ) 称为k 阶有理基函数；m 。( t ) 为节点矢量决定的k 阶b 样条基函数；曰是 特征控制多边形控制顶点位置矢量，w 是与p 对应的加权因子。 2 4 原型尾水管的建模 2 4 1原型尾水管的基本参数 原型尾水管采用标准式尾水管，弯肘式尾水管分为进口直锥段、中间弯肘段( 肘 厶 管) 、出口扩散段三部分。本文弯肘式尾水管是4 h 型，具体尺寸如表2 2