并行環(huán)境下混流式水輪機(jī)非定常流動及補(bǔ)氣的數(shù)值研究.pdf

1、近年來,隨著水輪機(jī)單機(jī)容量及轉(zhuǎn)輪直徑的不斷增大,大型水輪機(jī)的水力振動及葉片裂紋等穩(wěn)定性問題越來越突出。振動和壓力脈動是水力機(jī)組穩(wěn)定性運(yùn)行的主要因素,其中壓力脈動產(chǎn)生于機(jī)組運(yùn)行過程的非定常流場,是引起水輪機(jī)組振動及不穩(wěn)定運(yùn)行的主要水力振源之一。 為了解決混流式水輪機(jī)全流道數(shù)值模擬對計算資源的要求問題,搭建了基于windows的一座具有八節(jié)點的并行計算平臺,并對并行平臺的基本工作性能進(jìn)行了測試,得到了較高的效率,且隨著網(wǎng)格數(shù)量增加,

2、并行效率能夠進(jìn)一步提高。通過測試結(jié)果說明,在這種小型分布式并行機(jī)群上的并行效率是令人滿意的。 本論文利用湍流雷諾時均方程及RNGk-ε湍流模型,完成了混流式水輪機(jī)大開度下全流道三維定常湍流計算,獲得了各主要過流部件的壓力、速度等流動特征。并對大開度下同一開度不同單位轉(zhuǎn)速的流動特征和能量性能進(jìn)行了比較分析,為進(jìn)一步進(jìn)行三維非定常湍流計算奠定了基礎(chǔ)。 在定常計算的基礎(chǔ)上,開展了包括轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪和尾水管兩級動靜干涉的非

3、定常湍流計算研究,獲得了壓力脈動的振幅和頻率特性。大開度下在轉(zhuǎn)輪前存在一個約為轉(zhuǎn)頻0.235倍的頻率,該壓力脈動的幅值在固定導(dǎo)葉前最高。此頻率是由尾水管內(nèi)低頻壓力脈動向上游傳遞而來的。在轉(zhuǎn)輪葉片出口邊存在約為轉(zhuǎn)頻2倍的壓力脈動主要是由于尾水管進(jìn)口處的壓力脈動向上游傳遞形成的,約為轉(zhuǎn)頻與葉片數(shù)乘積1倍的壓力脈動主要是流場受到轉(zhuǎn)輪葉片隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)造成的影響。而尾水管內(nèi)部壓力脈動主頻主要集中于肘管,直錐段脈動很小。 在上述研究的基礎(chǔ)上,

4、進(jìn)一步開展了混流式水輪機(jī)頂蓋補(bǔ)氣對水輪機(jī)壓力脈動影響的研究。定常計算結(jié)果表明,氣體對轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)影響,主要集中在0～0.4R之內(nèi),在0.4R～1R的范圍內(nèi)的影響較小。導(dǎo)葉開度12時,補(bǔ)氣量0.15％時補(bǔ)氣效果較好；開度10下補(bǔ)氣量為0.1％效果較好。非定常計算結(jié)果表明,補(bǔ)氣對于轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的壓力脈動影響比較大,補(bǔ)氣前后轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力脈動頻率不變,而對幅值影響比較大,使轉(zhuǎn)輪出口的壓力脈動幅值下降約50％左右。使尾水管內(nèi)部的壓力脈動主頻從1.66