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1、学校代号：1 0 7 3 l 学号：0 9 2 0 8 0 7 0 4 0 2 5 密级：公开 兰州理工大学硕士学位论文 30 米水头段混流式水轮机水力模型 开发方案研究 堂僮由遣厶姓名；星塞雄 昱咂姓名壁驱叠；壶堂塞熬援 墙差望僮；篚近复塾力工猩堂医 童些刍叠!速住扭越拯工程 诠室握童旦塑； 2 Q1 2 生垒月1 2 日 途窒筌趱旦期；2 Q12 生鱼目三旦 签鲎委员金圭虚；鎏武抖 H y d r a u l i cM o d e lE x p l o i t a t i o nR e s e a r c ho f3 0 mH y d r a u l i cH e a d F r a n
2、c i sT u r b i n e b y C H A OW e nX i o n g B E ( H e b e iU n i v e r s i t yo fP o l y t e c h n i c ) 2 0 0 9 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 fE n g i n e e r i n g H y d r o - m a c h i n e
3、 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 f T 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 r A p r i l ，2 0 1 2 I 兰州理工大学 学位论文原创性声明 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
4、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： 日期：卅庳6 月7 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，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。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。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密日。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：砂纠莎年6 月J 日 日期：矽J 绰6
5、月9E t 硕_ J 学何论文 目录 摘要I A b s t r a c t 。I I 第1 章绪论1 1 1 课题意义1 1 2 水轮机C F D 流场计算的圈内外研究现状2 1 3 主要研究内容引j 标4 第2 章水轮机内部流动数值计算方法6 2 1 计算流体动力学介绍6 2 2 流体动力学( C F D ) t - 算的基本内容和步骤7 2 3 水轮机流场数值计算的C F D 计算方法8 2 3 1 描述流动的基本控制方程8 2 3 2 基本控制方程的离散10 2 3 3 不叮压N S 方程的基本解法1l 2 3 4 选择_ ；三维湍流模型1 1 2 3 5 边界条件的确定及近壁区的流动
6、计算方法14 第3 章混流式水轮机全流道三维建模及网格划分1 6 3 1 混流式水轮机的水力设计方法16 3 2 初始转轮模型的选取16 3 3 混流式水轮机转轮的三维造型16 3 3 1 转轮木模图的处理1 6 3 3 2 木模图的导入16 3 3 3 叶片表面延展1 7 3 3 4 叶片尖点确定1 7 3 3 5 三维叶片空间实体的生成18 3 3 7 转轮实体的生成1 8 3 4 混流式水轮机其余过水部件的三维造型19 3 5 数值计算的网格技术一2 0 3 6 数值计算的网格技术2 0 3 6 1 网格划分过程一2 1 3 7 本章小结2 3 第4 章蜗壳的优化设计及双列叶栅对水力性能
7、的影响2 4 4 1 水轮机蜗壳的优化设计2 4 4 1 1 水轮机蜗壳的水力设计方法2 4 l 3 0 水水，i 段j l d 流式水轮机水力模刑丌发方棠研究 ! ! ! 曼! 曼! 曼! ! ! ! 曼曼曼曼! 曼! 曼曼曼! 鼍! ! 曼! 曼! 曼! 曼! 曼! 曼! I I 一一一一 一I 曼! 曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼 4 1 3 优化的数学模型2 7 4 1 4 优化设计实例2 9 4 2 转轮的完善分析2 9 4 3 双列叶栅对中高比转速混流式水轮机水力性能的影响3 2 4 3 1 导水机构的水力作用原理3 2 4 3 2 流动的数值模拟3 3 4 3 3 不同导叶
8、翼型数值模拟流场分析3 4 4 3 4 双列叶栅周向相对位置对流场及性能影响3 5 4 4本章小结3 7 第5 章混流式水轮机内部流场数值模拟及性能分析3 8 5 1 混流式水轮机的性能预估3 8 5 2 水轮机的计算工况表3 9 5 3 性能预估结果3 9 5 4 转轮的空化性能分析4 0 5 5 水轮机各过流部件流场模拟计算结果显示4 2 5 5 1 蜗壳4 2 5 5 2 导水机构4 3 5 5 3 转轮4 4 5 5 4 尾水管4 8 5 6 水轮机各过流部件流场分析5 3 5 6 1 蜗壳流场分析5 3 5 6 2 导水机构流场分析5 3 5 6 3 转轮流场分析5 4 5 6 4
9、尾水管流场分析5 5 5 7 本章小结5 5 结论与展望5 7 结论5 7 展望5 8 参考文献5 9 致 谢6 3 附录A 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 4 附录B混合惩罚函数法源代码6 5 硕十学何论文 摘要 计算流体动力学分析一一C F D 数值模拟计算技术能较准确地获得水轮机内 部流场分布及过流部件内部流动状态信息，为研究水轮机水力模型的水力性能与 稳定性提供理论依据。 在低水头段水轮机的设计中，由于中高比转速混流式水轮机具有效率较高、 高效区宽、结构紧凑、运行稳定等优势，备受中小水电站青睐。本课题针1 对3 0 米水头段的混流式水轮机进行了设计与优化，运用C F D 流场仿真技
10、术对混流式水 轮机的内部流动情况进行分析研究，最终丌发出一个性能优良的混流式水轮机的 水力模型方案。 本文主要的研究工作和创新性成果如下： l 、参照水头段和比转速相近、性能优良的H L 2 4 0 水力模型全流道的几何参 数，采用u = 0 的二元理论设计方法，设计出适合于2 8 m 3 5 m 水头段混流式水轮 机转轮； 2 、借助P r o E 三维造型软件对已设计出的中高比转速H L 2 8 0 水轮机水力模 型初始方案进行全流道三维造型，并用I C E M 软件进行了全流道网格划分，为提 高过流部件内部流动C F D 数值模拟精度及其性能预测的准确性奠定呵靠的基础； 3 、针对水轮机蜗壳常规水力设计方法中存在的不足，合理划分水轮机蜗壳内 的水力损失，建立水轮机蜗壳内的水力损失计算模型，采用以沿水轮机蜗壳周向 断面的速度矩分布规律为设计变量的水轮机蜗壳的设计方法，对水轮机蜗壳进行 了优化设计，达到减小水力损失，提高水轮机蜗壳水力性能的目的； 4 、通过对中高比转速混流式水轮机活动导叶的翼型( 正曲率导叶、负曲率导 叶、对称导叶) 及同一翼型的活动导叶与固定导叶的不同周向相对位置分别进行了 数值模拟，并将其对水轮机流场分布与效率的影响进行了分析。得出对于本课题 研究的中高比转速混流式水轮机，正曲率导叶能够较好的满足转轮对来流的条件 要求：活动导叶与固定导
