中國大部分河流中都含有大量泥沙,運行在這些河流上的混流式水輪很容易受到泥沙的沖擊磨損,尤其是葉片靠縫隙處的邊緣磨損更為嚴重。同時河流中的泥沙也使得更加容易發(fā)生空化現(xiàn)象,隨之產(chǎn)生的空蝕與泥沙磨損聯(lián)合作用于水輪機葉片,進一步導致了更嚴重的磨蝕,極大地降低水輪機的效率與水電機組的穩(wěn)定性。因此,為提高水輪機的抗空化、磨損能力并改善其優(yōu)化設計方法,亟待探究空化、泥沙磨損以及兩者聯(lián)合作用機理。然而影響空化、磨損及兩者聯(lián)合作用行為的因素十分復雜,既有速度、壓力等流場參數(shù),又有沙粒和材料特性等,且目前該方面的研究大多聚焦在實驗研究,缺少相關的數(shù)值仿真研究�；谝陨蠁栴},本文基于數(shù)值模擬方法對含沙水流中混流式水輪機在清水和含沙情況下的內(nèi)部流動進行了數(shù)值模擬,并進一步分析了這兩種不同工況下水輪機的空化性能,具體包括以下步驟：1)采用UG三維實體建模軟件對混流式水輪機的蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪和尾水管的過流通道進行實體建模,并采用四面體、六面體非結構化網(wǎng)格進行劃分；2)對混流式水輪機的清水空化進行了研究,采用了SST k-湍流模型,結合基于均值空化流理論的輸運空化模型(Zwert-Gerber-Belamri空化模型),對不同進口流量、空化系數(shù)和導葉開度工況下的空化模擬計算結果進行了比較分析；3)對水輪機含沙空化的數(shù)值模擬來研究空化與磨損的聯(lián)合作用,采用歐拉模型和空化模型來計算三相的作用,獲得了不同泥沙粒徑和濃度下泥沙磨損與空化的相互影響關系以及出力變化情況。結果表明,在清水情況下,隨著進口流量的增大,轉輪背面靠近下環(huán)出口處的空化區(qū)域先增大后減小,轉輪區(qū)的葉道渦先減小后增大,但是沒有引起葉道渦空化。隨著空化系數(shù)的降低,轉輪背面的空化區(qū)域逐漸增大。隨著導葉開度的減小,葉片背面的空化區(qū)域逐漸減小,并且在小開度下出現(xiàn)了葉道渦空化。在低于最優(yōu)效率點流量時,尾水管進口處出現(xiàn)螺旋渦帶,在高于最優(yōu)效率點流量時,尾水管進口處出現(xiàn)泡狀渦帶。在空化工況下,水輪機的效率比非空化工況下的低。在含沙情況下,隨著泥沙粒徑及含沙濃度的增加,泥沙從葉片背面進口處向正面出口處大量聚集。在空化對泥沙磨損的影響上,空化計算時轉輪區(qū)的泥沙濃度會大于等于非空化計算的泥沙濃度；在泥沙磨損對空化的影響上,隨著泥沙粒徑及含沙濃度的增加,轉輪中的空泡含量出現(xiàn)先增大后減小的趨勢；在對尾水管渦帶的影響上,隨著泥沙粒徑的增加,水輪機的穩(wěn)定性會下降。在泥沙磨損對效率的影響上,隨著泥沙濃度的增加,轉輪的出力變小。以上對水輪機內(nèi)部流動特性的研究結果對提高混流式水輪機的效率和穩(wěn)定性具有一定的理論參考意義和實際應用價值。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2016
【中圖分類】：TV734.1;TV136.1
【文章目錄】：
致謝
摘要
Abstract
1 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 空化的研究進展
        1.2.1 空化現(xiàn)象及空蝕破壞
        1.2.2 空化的形式
        1.2.3 空化的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
    1.3 泥沙磨損研究進展
        1.3.1 磨損機理
        1.3.2 泥沙磨損研究現(xiàn)狀
    1.4 泥沙磨損與空蝕聯(lián)合作用的研究進展
        1.4.1 泥沙磨損與空蝕聯(lián)合作用機理
        1.4.2 泥沙磨損研究現(xiàn)狀
    1.5 主要研究內(nèi)容
2 空化理論基礎
    2.1 壓力系數(shù)和空化數(shù)
    2.2 空化初生與空化核
    2.3 空泡動力學方程
    2.4 空化物理模型
        2.4.1 直接兩相流模型
        2.4.2 平均化模型
    2.5 含沙空化物理模型
    2.6 本章小結
3 混流式水輪機三維清水空化計算
    3.1 水輪機三維流道模型的建立
    3.2 網(wǎng)格劃分
    3.3 湍流模型
    3.4 控制方程計算設置
        3.4.1 控制方程邊界條件
        3.4.2 求解器設置
        3.4.3 計算工況
    3.5 計算結果
        3.5.1 網(wǎng)格無關性驗證
        3.5.2 水力驗證
        3.5.3 進口流量對空化的影響
        3.5.4 空化系數(shù)對空化的影響
        3.5.5 導葉開度對空化的影響
        3.5.6 流量對尾水管渦帶的影響
        3.5.7 空化對效率的影響
    3.6 本章小結
4 混流式水輪機三維含沙空化計算
    4.1 控制方程及邊界條件設置
    4.2 計算工況
    4.3 計算結果
        4.3.1 泥沙粒徑及濃度對轉輪區(qū)壓力的影響
        4.3.2 泥沙粒徑及濃度對轉輪區(qū)泥沙分布的影響
        4.3.3 不同泥沙粒徑及濃度對轉輪空化的影響
        4.3.4 不同泥沙粒徑及濃度對尾水管渦帶的影響
        4.3.5 不同泥沙粒徑及濃度對轉輪出力的影響
    4.4 本章小結
5 總結與展望
    5.1 總結
    5.2 展望
6 參考文獻

【參考文獻】

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本文編號：2828648