硕士论文：基于数值模拟的水轮机活动导叶特性分析

1、硕士论文：基于数值模拟的水轮机活动导叶特性分析第 1 章 绪论1.1 研究背景及意义电力从被应用的那一刻起，便一直在人类的社会活动中发挥着重要的推动作用。当下，电力已经遍布于各种场合，但在生产电力的同时又可能对环境产生破坏，威胁人类的生存。近些年来不断困扰国人的雾霾就有一部分是来自与电力生产所排放的废料。为了缓解环境污染的现状，同时又不能减少电力的生产，提高发电机组的效率以及大力推进清洁能源与新能源的开发与建设是当今社会电力生产的主要任务。在新兴能源发展规模尚不足以满足电力需求的情况下，水力发电的地位显得格外重要。目前水力发电技术的发展已经较为成熟，由于水电站的运行方式比较灵活，因此逐渐成为了

2、电网不可或缺的组成部分。水电站同时也兼具着防洪灌溉等综合利用功能，在经济、社会、生态等方面有着显著的效益。水力发电机组在工作中不会产生污染性的废气和废料，而传统发电方式则不具有这种优势。我国已探明的可开发水电资源每年可以发出约 3 万亿千瓦时的电能资源，假如可以在 100 年内充分利用这些水电资源，便可以减少约 1000 亿吨的化石资源，在已探明的能源中，水电已经是可开发量位于第二位的常规能源。随着一系列开发工作的进行，大量的不同形式的水电站已经投入运行，改善着我国的电力组成。我国水电工程技术水平已经达到了世界的先进水平。目前，世界范围内的常规水电装机容量已接近 10 亿千瓦，开发程度达到了

3、26%（按发电量计算）。发达国家和地区如瑞士，美国等地的水电开发程度已经很高，瑞士甚至已经达到了 92%的开发水平。而发展中国家的水电开发程度则普遍较低。我国目前的水电开发程度仅为 37% （按发电量计算），与发达国家和地区相比依然存在着较大的差距，因此我国的水电事业依然有非常广阔的发展前景。.1.2 国内外对活动导叶的研究现状随着计算机计算水平的快速提高，以及各种数值仿真软件的发展，大量的研究人员投身于水轮机流道的数值模拟学习与研究工作中。水轮机的导水机构内流场一直以来都是研究人员重点的研究对象之一。敏政,张忠华等2针对不同翼型的活动导叶进行了全流道三维定常湍流计算，结果表明活动导叶的翼型对

4、导水机构中的流场状态，机组性能等具有直接的影响。Laín S, García 等3利用 CFD 软件包模拟了水轮机内部流场，计算了机组的能量损失。杨光叶4以某混流式水轮机的导水机构为研究对象，用离散的方式对计算模型进行了网格的划分，计算出了导水机构的水力特性。丁淑华,庞立军5应用有限元的方法对三峡右岸电站的水轮机导水机构进行了数值模拟分析。研究结果显示导水机构的顶盖、活动导叶和控制环等主要部件性能安全可靠,满足设计要求。陈元林,李成峰等6研究了高水头混流式水轮机中负曲率导叶对水轮机效率的影响，并通过某项目的应用实例证明了装备负曲率导叶的导水机构在高水头混流式水轮机水

5、力性能上具有显著的技术优势。Thakker A, Dhanasekaran T S 等7研究了导叶形状对水轮机效率的影响，通过对二维导叶和三维导叶的对比实验得出，采用三维导叶后水轮机的效率得到了显著的提高。柯强,刘小兵等8应用 RNG k-ε模型进行了某模型水轮机的内部流动分析，通过相关实验得出活动导叶在各个开度、固定导叶与活动导叶不同安放位置等工况下,导水机构内部流体的压力、速度等物理参数的分布，以及导水机构中所产生的水头损失。并得出固定导叶与活动导叶之间的最优安放位置以及导叶不同开度和安放位置对水轮机效率的影响。 庞立军,吕桂萍9通过建立不同的活动导叶力学模型并设定不同的边

6、界条件，对活动导叶的刚强度进行了一系列的分析计算。提出了较为合理的活动导叶刚强度分析的力学模型以及边界条件，在工程上具有重要的参考价值。肖良瑜,钟苏10通过对可逆式水轮机的导水机构部件进行了一系列的分析，并得出了有参考价值的水轮机活动导叶静应力校核方法。并得出活动导叶在故障工况下往往存在较大的应力，影响机组稳定性。因此对活动导叶进行强度校核对保障机组安全运行具有重要意义。刘晶石,吕桂萍11应用有限元的方法研究了在静水作用下不同导叶瓣体内部结构对导叶结构刚强度的影响。得出导叶内伸轴头的长度，导叶瓣体厚度以及纵向筋板的位置对活动导叶的刚强度具有显著的影响。Ruprecht A, Heitele M

7、12对水轮机全流道模型进行了非定常仿真研究。运用并行计算的方式对动态边界条件下的水轮机内流场进行了模拟。李存明13根据可逆式水轮机的流动规律，设计了三种不同翼型的导叶，并设定了不同数量的固定导叶数量。在 FLUENT 软件中输入相关参数进行了相应的仿真分析,实验结果很好的反映出各个工况下水流的压力和速度等参数的分布规律。庞立军14应用流固耦合的方法，对不同水体区域边界条件下活动导叶进行了大量的水下模态实验,计算出导叶的各阶湿模态振型和相应的自振频率,通过对比给出了合理的水体区域模型,所给出的模型在活动导叶的干湿模态分析工作中对相关研究人员有重要的启发作用。.第 2 章 单向流固耦合技术理论基础

8、2.1 计算流体动力学技术概述计算流体动力学是数值模拟技术在流体力学领域中的应用与发展。数值模拟技术是指利用性能强劲的计算机来进行大量的数值运算，并结合有限元或有限容积等理论方法，通过将工程问题转化为数学模型并加以计算处理，从而得到对工程问题等具有指导意义的结果。数值模拟技术是近些年来被各行业广泛采用的一种研究方式。随着大量的数值模拟软件问世，利用计算机进行数值模拟实验逐渐克服了前两种方式的不足，为水轮机性能的研究提供了一种快速便捷的方式。计算流体动力学是目前被广泛采用的一种水轮机流场研究方法。CFD 是研究复杂流体力学问题的计算方法，即研究如何利用数值方法来求解流体力学方程组16。由于 CF

9、D 技术的精度和可信度不断提高，利用数值仿真的方式来进行水轮机的仿真实验，弥补了以往实验方式的不足。利用 CFD 技术可以在计算机中对水轮机的机组的形式，工况进行模拟，使得研究人员在机组设计阶段便能对机组的运行状况进行充分的了解。而且数值仿真的方式可以模拟机组的故障工况等不易进行真机实验的工况，扩展了对机组特殊工况的研究方式。利用计算流体动力学方法进行相关数值计算的主要有以下几个过程。.2.2 有限元分析理论有限元分析技术是指利用有限个未知单元来表示包含无限未知单元系统，通过数值计算的方式来求解复杂物理系统的研究方法。有限个未知单元通过单元节点进行数据传递，从而建立起相互联系。当物体发生振动时

10、，其位移将随时间产生变化，物体振动的频率仅与系统的物体固有特性有关(如质量、形状、材质等)，这个频率被称为固有频率，固有频率也称为自然频率( Natural frequency)。在水轮机运行时，由于水力因素，机械因素，电力因素等的影响，机组往往会有一定的振动。当转速等频率与机组部件的固有频率接近或一致时，机组部件将产生强烈的振动，即发生了共振。共振的存在往往导致振动剧烈，甚至造成机组损坏。因此对机组的相关部件进行模态分析，确定其固有频率并使机组运行在远离共振频率的区域，对指导水力发电机组安全稳定生产具有重要的意义19。.第 3 章 水轮机全流道模型的建立.173.1 SolidWorks 建

11、模软件简介.173.2 水轮机主要过流部件的模型建立.173.3 全流道模型的网格划分.22本章小结.31第 4 章 导水机构内流场计算与分析.334.1 导水机构内流场分析概述.334.2 计算工况选择及初始条件设置.334.3 导水机构内流场分析.36本章小结.43第 5 章 水轮机活动导叶静力分析.455.1 活动导叶静力分析概述.455.2 活动导叶静力分析前处理.465.3 导叶关闭工况下的形变分析.495.4 基于单向流固耦合的导叶形变分析.525.5 活动导叶模态分析.55第 5 章 水轮机活动导叶静力分析5.1 活动导叶静力分析概述5.1.1 静力分析软件简介本次实验采用了 S

12、olidWorks 内部集成的静力学分析插件 SolidWorksSimulation 来进行相关分析工作。 SolidWorks Simulation 是一款基于有限元（即FEA）数值分析技术来进行设计分析的软件。其前身是著名的 COSMOS Works 有限元分析软件。达索公司与 SRAC 公司于 1995 年合作开发了 COSMOS Works 软件，并很快在工程界有限元分析中被广泛应用，作为一种嵌入式的分析软件与SolidWorks 三维建模软件实现了无缝集成。COSMOS Works 在推出的 2009 版中正式更名为 SolidWorks Simulation。 SolidWork

13、s 是基于特征的参数化 CAD 系统软件。同许多最初在 UNIX 环境中开发的 CAD 系统不同，SolidWorks 与 SolidWorksSimulation 从一开始就是专为 Windows 系统开发的，因此在兼容性，界面友好性等方面具有显著的优势。在美国勇气号;飞行器机器人臂分析设计工作中以及中国空间技术研究院进行神州 6 号;时，利用 SolidWorks 软件进行相关设计与分析工作，帮助工程人员缩短了产品的设计周期，加速了产品的开发。.总结本文利用某 HL160-LJ-250 模型水轮机的参数建立了水轮机全流道模型，并分别构建了两种结构的对称活动导叶和正曲率导叶模型。首先利用 C

14、FD 的方法对采用不同翼型活动导叶的导水机构进行了三种工况下的内流场分析，得到了不同情况下导水机构内部的压力、流速等参数分布。利用单向流固耦合的方式对导叶在动水压力作用下的形变情况和应力分布情况进行了计算分析。同时进行了导叶关闭工况下的静力分析作为对比。最后通过单向流固耦合的方法计算了不同导叶在动水压力作用下的振型和频率。通过相关实验得到以下结论：(1)流场分布：在三种工况下，采用对称导叶和采用正曲率导叶的导水机构内流场速度和压力分布均较为均匀。从导叶入口到导叶出口，流速逐渐增大，压力逐渐减小。在相同工况下正曲率导叶瓣体两侧受到的水压力要大于对称导叶瓣体两侧受到的水压力。(2)导叶形变：在导叶完全关闭的情况下，正曲率导叶的抗压性能要大于对称导叶。在形变程度分布位置上，实心对称活动导叶与实心正曲率活动导叶形变程度都是自入水边向出水边逐渐增大。空心活动导叶最大形变处均位于导叶瓣体中间位置。在动水压力作用下，实心活动导叶的枢轴位置产生了一定的变形，最大形变处位于导叶出水边。在形变程度上，对称活动导叶的形变程度大于正曲率活动导叶。说明导叶形变程度不仅与导叶瓣体所受压力有关，与导叶瓣体形状也有关系。空心活动导叶最