（流体机械及工程专业论文）1500米水头段多级能量回收透平水力模型方案的开发研究.pdf

d e v e l o p m e n th y d r a u l i cm o d e l s c h e m eo f15 0 0 mf l o o dp e a km u l t i s t a g e e n e r g yr e c o v e r yp u m pa n d t u r b i n e b y l if e n g c h e n g b e ( l u t ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g h y d r o m a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rq ix u e y i a p r i l ，2 0 1 1 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：李i 易或 日期加年厂月玎日 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，即：学校有 权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。本人授权兰州理工大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：鎏融舐 d oiyu 导师签名：嚼墨过 e l 期：捌，年r 月巧日 日期加侔r 月：扔日 硕+ 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究目的和意义。l 1 2 国内外研究现状1 1 3 主要研究内容3 第2 章透平机内部流动数值模拟计算方法概述4 2 1 计算流体动力学( c f d ) 概述4 2 2 当前透平机内部流动c f d 分析方法4 2 2 1 透平机内流动的基本方程4 2 2 2 常用湍流的模拟计算方法简介5 2 2 3 湍流模型的概述和选择6 2 2 4 空间离散数值方法及其离散格式概述及选择8 2 2 5 基本方程的解法8 2 3 通用商业c f d 软件介绍1 0 2 4 本章小结l l 第3 章能量回收水力透平机的水力设计及三维造型1 2 3 1 水力设计基本参数1 2 3 2 转轮的水力设计及三维造型l2 3 2 1 转轮设计方法概述1 2 3 2 2 转轮水力设计1 5 3 2 3 转轮及其流道的三维造型1 6 3 3 级间导叶、导流壳的水力设计及三维造型1 7 3 3 1 导叶设计概述1 7 3 3 2 导叶水力设计1 7 3 3 3 导流壳水力设计1 8 3 3 4 导叶、导流壳及其流道的三维造型1 8 3 4 蜗壳水力设计及三维造型l8 3 4 1 蜗壳的水力设计。1 9 3 4 2 蜗壳的三维造型2 0 3 5 半螺旋形排流室水力设计及三维造型2 0 3 5 1 半螺旋形排流室水力设计2 0 3 5 2 半螺旋形排流室的三维造型2 l 3 6 多级能量回收透平机的组装2 2 3 7 本章小结2 2 第4 章透平机数值计算的网格技术2 3 4 1 计算域网格的划分2 3 4 1 1 网格生成的要求2 3 4 1 2 结构化网格2 3 硕十学位论文 4 1 3 非结构化网格2 4 4 1 4 混合网格2 5 4 2 网格划分软件的选取2 5 4 3 网格划分过程2 6 4 4 网格划分方法及质量检测2 7 4 4 1 网格划分方法。2 7 4 4 2 网格划分中常见问题及解决办法2 7 4 4 3 网格的质量检测2 8 4 5 本章小结2 8 第5 章能量回收水力透平内部流场数值模拟及性能分析2 9 5 1 初始模型的改进与完善2 9 5 1 1 蜗壳的优化2 9 5 1 2 导叶的优化3 0 5 2 数值计算与结果分析3 0 5 2 1 数值计算方法和求解器的选择。3 0 5 2 2 边界条件的设定3 0 5 2 3 设计工况下数值计算结果与结果分析3 l 5 2 4 九级能量回收透平在不同流量工况下的模拟计算4 2 5 3 本章小结4 9 结论与展望5l 1 2 ；论5l 展望51 参考文献5 3 驾c 谢5 6 附录a 攻读学位期间公开发表的论文5 7 i i 硕+ 学位论文 摘要 能源是可以直接或通过转换提供人类所需的有用的资源。能源是国民经济发展的重 要基础，也是人们生产和生活的重要物质基础保障。随着经济的发展，能源问题已成为 了世界所关注的焦点。能量回收水力透平可以将工质流体中含有的机械能进一步回收利 用，以降低能量的损耗，因此随着能量回收水力透平应用领域的增大，人们对其性能有 了更高的要求。 近几年，计算流体动力学f d 技术己同臻成熟，它在流体机械的模型开发研究和 内部流场分析方面的应用越来越广泛。c f d 数值模拟能够较准确地获得流体机械内部流 场分布及各过流部件内部流动状态信息，为研究流体机械的性能提供了技术支撑，是成 功设计出高性能流体机械模型和对现有流体机械进行优化的有效手段。 目前，能量回收水力透平的设计理论还不成熟。就工作原理而言，能量回收水力透 平相当于超低比转速的水轮机，将工质流体中的能量转换为旋转的机械能。但相对于多 级的能量回收水力透平机，它又与多级泵有相似之处。传统意义上，认为泵的反转就是 能量回收水力透平机，但泵反转并不是完全符合能量回收水力透平机的流动状态和运行 工况，因此性能比较差。为此，开发出性能优良的能量回收水力透平机，能更加充分、 有效地回收能量资源，把潜在的资源优势转化成经济效益和社会效益，具有一定的学术 价值和现实意义。 本课题针对1 5 0 0 m 水头段的能量回收水力透平进行设计和优化，运用c f d 流场仿 真技术对能量回收水力透平机的内部流动进行探讨研究。计算以连续性方程、雷诺时均 n s 方程作为其控制方程，采用标准k - f 双方程湍流模型使方程组封闭。流速、压力的 求解采用s i m p l e 算法实现，离散采用具有二阶精度的隐式格式差分。计算结果详细地 显示出透平内全流道的流速和压力分布，验证了设计方法的科学性。最终开发出了一个 性能比较优良的九级能量回收水力透平机的水力模型方案。 本文的主要研究内容和创造性成果如下： l 、依据已有的几何参数，将1 5 0 0 m 水头段的能量回收水力透平机的级数分别确定 为八级，九级和十级，运用一元理论设计方法，借鉴混流式水轮机和多级泵的设计理论， 对相应级数的转轮和过流部件进行了水力设计计算。 2 、借助p r o e 对已设计出的能量回收水力透平机的转轮和过流部件分别进行了三维 实体造型；用i c e m 和g a m b i t 对实体造型划分非结构化网格，比较了i c e m 和g a m b i t 划分网格的优缺点，分析和解决了网格划分阶段易出现有洞和碎面的问题，提出了i c e m 和g a m b i t 结合画网格的方法。 3 、对初始设计的水力模型方案进行数值模拟，通过分析数值模拟的结果对相关部 件的几何尺寸做了改善。通过对不同级数的能量回收水力透平机的模拟结果的比较，提 出了本水头段透平机最适合的级数是九级。 4 、对九级能量回收水力透平机的大流量工况、设计工况、小流量工况进行了模拟 分析，并研究了该透平回收效率与流量的关系，得到了各过流部件内部详细流动信息， 结果表明设计工况压力、速度分布、性能最好。 关键词：能源；透平；能量回收；水力设计；数值模拟 硕士学位论文 a b s t r a c t e n e r g yi sa nu s e f u lr e s o u r c ec a l lb ed i r e c t l yo rt h r o u g hc o n v e r s i o np r o v i d et h eh u m a n n e e d e n e r g yi sa ni m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o rn a t i o n a le c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，b u ta l s oa n i m p o r t a n tm a t e r i a lb a s i sf o rp e o p l eo fp r o d u c t i o na n dp r o t e c t i o no fl i f e w i t ht h ed e v e l o p m e n t o fe c o n o m y ，t h ee n e r g yi s s u e sh a sa l r e a d yb e c o m et h ef o c u so ft h ew o r l d e n e r g yr e c o v e r y p u m pa n dt u r b i n ec a nf u r t h e rr e c y c l i n gm e c h a n i c a le n e r g yb ec o n t a i n e di nt h ew o r k i n gf l u i d t or e d u c ee n e r g yl o s s ，s oa st h ee n e r g yr e c o v e r yp u m pa n d t u r b i n ea p p l i c a t i o n si n c r e a s e s ， p e o p l eh a v eh i g h e rr e q u i r e m e n t sf o ri t sp e r f o r m a n c e t h ec o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s - c f dt e c h n o l o g yh a sm a t u r e di nr e c e n ty e a r s ，t h e a p p l i c a t i o n so fi t i nt h ef l u i dm a c h i n e r ym o d e ld e v e l o p m e n t ，r e s e a r c ha n dt h ei n t e m a lf l o w f i e l da n a l y s i sa r em o r ea n dm o r ew i d e l y t h ec f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a no b t a i nt h ef l u i d m a c h i n e r yi n t e r i o rf l o wf i e l dd i s t r i b u t i o na n dv a r i o u so v e r f l o wp a r t si n t e r i o rf l o wr e g i m e i n f o r m a t i o na c c u r a t e l y , p r o v i d e st h et e c h n i c a ls u p p o r tf o rs t u d y i n gt h ef l u i dm a c h i n e r y p e r f o r m a n c e ，a n di st h ee f f e c t i v em e a n so fd e s i g n i n gt h eh i g hp e r f o r m a n c ef l u i dm a c h i n e r y m o d e ls u c c e s s f u l l ya n do p t i m i z i n gt ot h ee x i s t i n gf l u i dm a c h i n e r y a tp r e s e n t ，t h ed e s i g nt h e o r yo fe n e r g yr e c o v e r yh y d r a u l i cp u m pa n dt u r b i n ei sn o t m a t u r e j u s tt h ep r i n c i p l eo fw o r k ，t h ee n e r g yr e c o v e r yh y d r a u l i cp u m pa n dt u r b i n ei s e q u i v a l e n ts u p e rl o ws p e c i f i cs p e e dt u r b i n e ，c h a n g et h ee n e r g yo fw o r k i n gf l u i di n t or o t a t i n g m e c h a n i c a le n e r g y b u tc o m p a r e dw i t ht h em u l t i s t a g ee n e r g yr e c o v e r yh y d r a u l i cp u m pa n d t u r b i n e ，i th a ss i m i l a r i t i e sw i t hm u l t i s t a g ep u m p t r a d i t i o n a l l y , c o n s i d e rt h er e v e r s a lo ft h e p u m pa se n e r g yr e c o v e r yh y d r a u l i cp u m pa n dt u r b i n e ，b u tf l o ws t a t ea n dr u n n i n gc o n d i t i o no f t h er e v e r s a lo ft h ep u m pi sn o tf u l l yc o m p l yw i t ht h ee n e r g yr e c o v e r yh y d r a u l i cp u m pa n d t u r b i n e ，t h e r e f o r ep e r f o r m a n c er e l a t i v e l yp o o r s od e v e l o p m e n to fh i g hp e r f o r m a n c ee n e r g y r e c o v e r yh y d r a u l i cp u m pa n dt u r b i n ec a nb em o r ef u l l ya n de f f e c t i v e l yr e c y c l i n ge n e r g y r e s o u r c e s ，t h ep o t e n t i a lr e s o u r c ea d v a n t a g e si n t oe c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ，h a sac e r t a i n a c a d e m i cv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i se s s a yd e s i g na n do p t i m i z a t i o nt h ee n e r g yr e c o v e r yh y d r a u l i cp u m pa n dt u r b i n et h a t h e a dp e r i o d15 0 0 m ，u s i n gc f ds i m u l a t i o nt e c h n o l o g yt oe x p l o r et h ei n t e r n a lf l o wo fi t c a l c u l a t i o nw i t hc o n t i n u i t ye q u a t i o n r e n a u l tt i m e a v e r a g e dn se q u a t i o na st h ec o n t r o l e q u a t i o n s t u r b u l e n c em o d e lw a su s e ds t a n d a r dk - fd o u b l ee q u a t i o nt u r b u l e n c em o d e lt o m a k ee q u a t i o n sc l o s e d ，a n dv e l o c i t ya n dp r e s s u r ei t e r a t i o n c o r r e c t i o ni sc a r r i e do u tw i t h s i m p l es c h e m e d i s c r e t eu s e das e c o n d o r d e ra c c u r a c yo fi m p l i c i td i f f e r e n c ef o r m a t n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n sa sd o n eb yu s e di nt h ea r t i c l e ，n o to n l yt h ev e l o c i t ya n dp r e s s u r e d i s t r i b u t i o np a t t e r n sc a nb eg a i n e d ，b u tp r o v e dt h ed e s i g nm e t h o di ss c i e n t i f i c ，a n dp r o v i d et h e b a s i s f o rf u t u r eo p t i m i z a t i o nd e s i g n e v e n t u a l l yd e v e l o p e dar e l a t i v e l yf i n ep e r f o r m a n c e h y d r a u l i cm o d e ls c h e m eo fn i n es t a g e se n e r g yr e c o v e r yp u m pa n dt u r b i n e t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dc r e a t i v ea c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h ee x i s t i n gg e o m e t r i cp a r a m e t e r s ，t h es e r i e so ft h ee n e r g yr e c o v e r yh y d r a u l i c p u m pa n dt u r b i n et h a th e a dp e r i o d l5 0 0 mw e r ed e t e r m i n e dt ob ee i g h t ，n i n ea n dt e n g r a d e s m a d eh y d r a u l i cd e s i g nc a l c u l a t i o n o ft h ec o r r e s p o n d i n gs e r i e sr u n n e ra n df l o w c o m p o n e n t sb yu s i n gm o n i s t i ct h e o r ya n df r a n c i st u r b i n ea n dm u l t i s t a g ep u m pd e s i g nt h e o r y 2 r u n n e ra n df l o wc o m p o n e n t so fe n e r g yr e c o v e r yh y d r a u l i cp u m pa n dt u r b i n eh a sb e e n h 硕士学位论文 d e s i g n e d a r em o d e l e di nt h r e e d i m e n s i o n a ls o l i d b yu s i n g p r o es o f t w a r e t h e t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i di sm e s h e du n s t r u c t u r e dg r i db yi c e ma n dg a m b i ts o f t w a r e c o m p a r e da d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fi c e ma n dg a m b i ts o f t w a r ed i v i d e dg r i d 1 1 1 e p r o b l e mo fe a s i l yh a v i n gah o l eo rb r o k e ns u r f a c ei ss o l v e di nt h eg r i dd i v i s i o ns t a g ea n d p r o p o s e dt h em e t h o do fc o m b i n ei c e ma n dg a m b i ts o f t w a r et od i v i d em e s h 3 t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sd o n et ot h ei n i t i a ld e s i g no fh y d r a u l i cm o d e l ，a n dt h e r e l e v a n tp a r t s g e o m e t r ys i z ei sr e p a i r e da n di m p r o v e dt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t s t h r o u g hc o m p a r e dt h es i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n ts e r i e se n e r g y r e c o v e r yh y d r a u l i cp u m pa n dt u r b i n e ，d e t e r m i n e dt h em o s ts u i t a b l ep u m pa n d t u r b i n es e r i e si s n i n es t a g e s 4 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no nt h el a r g ef l o wr a t ec o n d i t i o n ， d e s i g nf l o wr a t ec o n d i t i o n ，s m a l lf l o wr a t ec o n d i t i o nt ot h en i n es t a g e se n e r g yr e c o v e r y h y d r a u l i cp u m pa n dt u r b i n e ，r e s e a r c h e dr e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e c o v e r ye f f i c i e n c ya n df l o w r a t e ，a n dt h ei n t e r n a lf l o wi sg i v e n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s s u r e ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o no f t h ed e s i g nc o n d i t i o na r eb e s t k e y w o r d s ：e n e r g y ；p u m pa n dt u r b i n e ；e n e r g yr e c o v e r y ；h y d r a u l i cd e s i g n ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i l l 硕士学位论文 1 1 课题研究目的和意义 第1 章绪论 能源是可以直接或通过转换提供人类所需的有用的资源，能源是国民经济发展的重 要基础，也是人们生产和生活的重要物质基础保障。与其他生产、生活资料一样，能源 在一定时间、空间总是有限的，而且其生产、供需、消费矛盾，对相关方面( 如自然环 境、人文环境) 的影响总是深远的l i 】。近年来，能源问题已经引起世界各国的普遍重视【2 1 。 我国能源资源人均占有量不到世界平均水平的一半，而可采储量亦远低于世界平均人均 水平。能源利用率低，环境容量有限，石油短缺等己开始阻碍中国经济的高速发展【3 1 。 另一方面，我国能源大规模开发利用所引起的环境问题，尤其是以二氧化碳为主体的温室 气体排放问题，已受到世界各国的普遍关注【4 j 。 目前，我国经济社会发展进人了建设全面小康社会的新阶段，要发展生产和提高人 民的生活水平，必然要相应增加能源消耗，因而，必须很好地解决能源问题。我国现正 处于“十二五 期间，节能减排已成为了经济发展的一个指标。所谓节能减排，有广义 和狭义之分，广义而言，节能减排是指节约物质资源和能量资源，减少废弃物和环境有 害物( 包括三废和噪声等) 的排放；狭义而言，节能减排是指节约能源和减少环境有害 物排放。只有坚持能源以开发与节约并举，把节约放在首位，提高能源利用率，才能使 能源、环境和经济三者间协调可持续发展1 5 j 。 透平机是具有叶片的动力式流体机械，是将工质流体中蕴有的能量转换成机械功的 机器，它对降低单位产量的耗能量有着积极的作用。在石油化工、石油加工( 石油加氢 裂化、渣油加氢脱硫) 、化肥、海水淡化、钢铁冶金等行业有大量高压液体，这些高压 液体的能量目前大多被浪费。在国外，一些发达国家目前利用这些高压液体的能量方式 有专用的液力能量回收透平，而在我国和一些发展中国家，大多数情况下这些能量被浪 费掉，国内近年在化肥行业也有利用反转泵来回收的装置，但是由于设计理论的欠缺， 回收能量效率普遍较低( 一般只有可回收能量的2 0 3 0 ) ，这导致这些能量没有较充 分利用或被浪费。因此，在能源问题凸显的今天，随着透平应用领域的增大，能量回收 水力透平的开发研究有着重大的意义1 6 j 及经济价值，其一方能为节能减排作出贡献，其 次能为国家的经济建设作出重大贡献，降低单位g d p 的能耗。 本课题针对1 5 0 0 m 水头段的能量回收水力透平进行开发设计，设计出不同级数的能 量回收水力透平，运用c f d 数值模拟技术对开发出的能量回收透平水力模型进行分析 与优化，使透平机内部流动得到改善，最终开发出一个性能比较优良的能量回收透平的 水力模型方案。这将对能量回收水力透平的设计和提高能量回收利用率都具有一定的参 考价值和促进作用。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外对于流体压力能综合利用技术及装备的研究已经有了很大的发展，工业 中使用的余压能量回收装置有多种形式【7 1 。 按照工作原理，流体压力能利用装备主要分为流体非直接接触式和流体直接接触式 两大类。非直接接触式流体压力能利用装备主要有反转泵( f r a n c i s p u m p ) 、佩尔顿透平 1 5 0 0 米水头段多级能量同收透平水力模型方案的开发研究 ( p e l t o nw h e e l ) 和水力透平( t u r b oc h a r g e r ) 。上述几种流体非直接接触式流体压力能回 收技术已应用于多种场合，在化工生产尤其在反渗透海水和苦咸水脱盐领域有着广泛的 用途和良好的前景。如西班牙的b a h i ad ep a l m a ，c a n a r yi s l a n d s 海水淡化厂，通过使用水 力透平，整套海水淡化系统的能耗成本下降了4 0 1 8 9 】。流体非直接接触式能量回收装置 技术比较成熟，先将压力能转化为机械能后再转化为压力能。流体直接接触式能量的转换 过程为压力能一压力能，其作为液力透平的补充，主要应用于高压小流量工况，但由于 机械能中介式的压力能回收技术受到能量多次转换的影响，回收效率受到限制，应用范 围比较小l l o 】。所以现只介绍非直接接触式的研究概况。 1 逆转泵型【1 1 j 即为叶片离心泵反转运行，其结构【1 2 j 简单，成本低廉，但由于水力流动性能不佳， 整机机械效率( 回收的流体能量占流体总可回收能量的百分比) 偏低，因此能量回收效率 ( 由于能量回收设备的加入可以节约总耗能的成分l l ) 较低，通常约为3 0 。这是因为在 选型时主要是依据设计参数即进出口压力、流量选取泵。实际上，当泵反转时，其作为 能量回收透平在利用，这时其流量、水头已不是泵的流量、扬程，再加上反转泵只有转 速达到一定转速后才能回收能量。离心泵的出口为其高压流体入口、离心泵的入口为其 低压流体出口，使用上的差异使其具有与泵不同的运行特点：( 1 ) 启动时需开出口阀；( 2 ) 能 量回收透平工作效率对流量的变化十分敏感，其工作性能对工况的要求是严格和苛刻 的。流量高于最佳工况的1 0 时能量回收透平效率下降5 0 ，流量低于最佳工况的4 0 时，能量回收装置无回收能量的功能，此时为耗能装置。但由于其设计理论成熟，成本 低，因此在工业领域仍有较广泛的应用。 2 佩尔顿型 a l e xg r u e n d i s c h b 】的研究表明佩尔顿型叶轮有较低的比转数，适合较高的压头：叶轮 是唯一的旋转部件，工作安全可靠，这种叶轮形式具有良好的流体力学性能，整机效率 较高。其工作效率随压头及流量变化波动不大，但受高压供液泵形式的影响显著，相同 处理量和压头时高压正位移泵或高压离心泵向其供液，能量回收率不同【1 4 1 。其叶轮形式 复杂，机械加工难度较大。其在西班牙的b a h i ad ep a l m a ，c a n a r yi s l a n d s ，ma r b e l l a y i 以 及以色列的e i l a t 的反渗透海水淡化工厂的使用效果尚可。其工作特性和叶轮形式之间 的关系还有待迸一步研究，但近年来发展迅速的计算几何、c c d 三维精密测绘技术【1 5 - 1 7 】 以及许多商业流体力学【1 8 , 1 9 j 模拟软件的问世极大地推动了人们对佩尔顿叶轮研究的深 入。 3 新型水力透平 8 0 年代中后期应用渐渐广泛，以p u m p e n g i n e e r i n g 公司生产的h y d r a u l i ct u r b o c h a r g e 为代表。泵叶轮与透平在一个壳体中以轴1 2 0 】相连同步工作，装置设计紧凑1 2 l 】。 其不同于前述几种回收装置的显著特点是：它可以完全独立地工作，脱离了要与高压泵轴 或与电机轴相连接的束缚 2 2 1 ，装拆容易、检修方便。不但可以减小电机选型的功率，而 且还可以降低高压泵选型时的扬程指标。在完成相同的工作任务时，明显地降低了整套 装置的一次性资会投入。在可回收能量大于1 0 k w ，或淡水产量大于5 m 3 s 时使用能量 回收装置节能效果更佳。e l io k l e j a s 和b o w i egk e e f e r i 2 l 】对其进行了深入的研究并发现 其对于压力和流量的波动适应性很好，在较宽的范围内能量回收效率基本稳定在6 0 左 右。在进料水处理量低于1 0 m 3 s 的小流量下工作时效率骤降至3 0 左右。这种装置极 适合在大流量下工作，规模效益明显，但小型化困难。 目前，随着能量回收透半应用领域的扩大，对其性能也有了更高的要求，如何使能 量回收透平j f j 有一个较高的回收效率是一大难题，它不但对材料【2 3 1 、机加工【2 4 】提出新的 要求，而且在流体力学 2 5 - 2 8 1 方面也需要新的理论支持。9 0 年代以来，流体运动数值模拟 2 硕十学位论文 ( c f d ) 技术得到了迅速发展，被工业界广泛接受，并且应用范围不断扩大1 2 9 3 0 1 。c f d 技术应用在水力机械方面，主要是采用缸湍流模型对n s 方程作平均化处理来计算 水力机械内部的速度场、矢量场、压力场，并对其性能进行预测与分析1 3 。通过对数值 模拟结果进行分析处理可以得到流体机械的能量指标和内部流场的压力、速度以及流线 分布，可找出模型或初次设计中损失发生的部位及发生的原因，对流体机械的设计进行 优化【3 弱5 l ；而随着计算机技术的发展，在计算机上运用c f d 软件进行大规模计算有了 现实意义【3 6 】。借助c f d 模拟来设计能量回收水力透平，已成为了当前国内外研究学者 的一种重要的辅助手段。 1 3 主要研究内容 本课题是对适用于1 5 0 0 m 水头段的能量回收水力透平进行设计开发研究，并应用 c f d 计算软件f l u e n t6 3 对自行设计的能量回收透平水力模型的内部流场进行三维湍流 数值模拟，根据数值模拟的结果对其模型进行改进并对其性能进行预估，为评判透平机 的能量回收性能和稳定性提供一定的参考依据，使能量回收水力透平具有较高的回收性 能，在该项课题研究中所做的主要工作： 1 依据已有的几何参数，将1 5 0 0 m 水头段的能量回收水力透平机的级数分别确定为 八级，九级和十级，运用一元理论设计方法，借鉴水轮机和多级泵的设计理论，设计出 相应级数转轮的木模图。 2 根据已有的转轮木模图，对其对应的其他过流部件进行水力设计计算。 3 对设计出的水力模型进行三维实体造型、网格划分，对网格划分过程中有洞问题 分析，并给出解决办法。 4 通过全流道三维湍流数值模拟，对初始方案分别进行模拟分析，根据模拟结果对 流动性能不好的过流部件作适当的改进。依据模拟结果，确定出具有最优回收效率的能 量回收透平水力模型。 5 针对能量回收水力透平对流量比较敏感的特点，分析研究具有最优回收效率的能 量回收透平水力模型的回收效率与流量之间的关系。 1 5 0 0 米水头段多级能量回收透平水力模型方案的开发研究 第2 章透平机内部流动数值模拟计算方法概述 2 1 计算流体动力学( c f d ) 概述 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 ) 是借助计算机，通过数 值计算和图像显示，对包含流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。c f d 方法，实质上就是对流体运动状态的一种分析方法，可以被看作是对在流动基本方程( 质 量守恒、动量守恒、能量守恒方程等) 控制下的流动进行数值模拟计算的一种方法p n3 s 。 c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场( 如速度场 和压力场) ，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式 建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变 量的近似值【3 9 】。 通过这种数值模拟方法，可以获得复杂流场内各个位置上的基本物理量( 如速度、 压力、温度、浓度、切应力等) 的分布及其随时间的变化情况，可以预测出其真实流动 的特征，如涡旋、空化、脱流、分离、尾迹和损失等1 4 ，还可以预估出其他相关的物理 量，如对于旋转式流体机械的转矩、水力损失、效率和空蚀等。 2 2 当前透平机内部流动c f d 分析方法 由于计算机更新速度的加快，促进了计算流体动力学( c f d ) 的飞速发展。同时因为 透平机内部流场不易用实验的手段量测，从而迫使转轮内流动的数值模拟技术获得了更 大的发展。特别是近几十年来，流体机械内部流动的数值模拟借鉴航空机械的成果取得 了巨大进步，流场模拟技术也由无粘性发展到粘性，由二维、准三维发展到全三维流动 解，由定常流动计算发展到非定常流动计算，从单个部件的流动计算发展到全流道的流 动计算。定常流动计算，它主要用于分析水力机械各流道的内部稳定场流态，研究各部 分水力损失及叶片表面的压力分布，以及对水力机械的优化设计【4 l i ：非定常流动计算， 主要用于分析各流道内部的瞬时流态，并研究流道内各种不稳定因素引起的水力振动和 水压力脉动1 4 2 - 4 8 】。 在本论文中，运用了全流道三维流动解的数值模拟计算方法，计算了能量回收水力 透平内部的定常流动，分析研究了透平机的运行状念。 2 2 1 透平机内流动的基本方程 在流体力学中，描述流体运动的基本方程为质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。 在以恒定角速度旋转的转轮中，当采用与转轮一起旋转的非惯性坐标系来描述相对运 动时，转轮内的相对运动是定常的。忽略能量方程的影响，不可压相对流动的流体连续 方程和动量方程的向量形式为1 4 9 j ： ( 1 ) 质量守恒( 连续方程)