30m水头段高性能水力模型的开发

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1、硕十学位论文1．1课题意义第1章绪论我国的水电资源十分的丰富，不同水头段得到了不同程度的开发。根据2001至2005年中国水力资源最新普查，我国可开发水电装机容量为4．02亿千瓦。截至目前，水电开发总装机容量突破1．143亿千瓦，跃居世界第一。但以可开发水电装机容量为基数，我国目前水电资源开发程度不足30％。与世界水电开发先进水平相比存在巨大差距。我国目前具备加快水电开发的技术实力和政策条件。新中国成立以来，尤其是改革开放以来，我国已经成功建设了类型各异、技术复杂的众多大型、巨型水电站，在建的三峡、小湾、龙滩、公伯峡、构皮滩、瀑布沟、水布垭、洪家渡等电站，在施工技术和管理上取得了新的突

2、破，标志着我国水电建设步入世界先进行列Ⅲ。特别是由于高坝建设技术、泄洪消能技术、大型地下洞群建设技术、巨型金属结构制作和安装技术、高边坡及地基处理技术等方面取得的突破，已经使我国成为世界水电技术创新的中心。同时，“西部大开发’’战略和“西电东送"工程的实施，为加快水电开发创造了有利的环境。根据上述情况，我国就应该大力开发水电资源，水力发电就是要将水能转化为机械能再转化电能。而水轮机是能量转换的关键设备，在水轮机中的主要能量转换部件就是该课题所要研究的水轮机转轮了。以前对一个水轮机转轮的开发，首先要依据传统的设计方法设计出多个方案，经分析比较选出一个较优方案做模型转轮，然后在水轮机实验台

3、进行实验，验证其性能是否达到预期目标。如果没能达到要求，那么就要重新改进转轮，再做一个新的转轮模型进行实验。这样反复修改模型重复实验，直到达到满意的结果为止。这种方法成本高且耗时。现在研究水轮机是采用一种新的方法，首先用PR0／E三维造型软件进行三维造型，再用CFD数值计算的方法进行模拟实验，通过流动分析，深入了解转轮的流动情况，即流速和压力分布，指导和设计水轮机，最后得到性能优良的模型转轮，这两个过程都是用计算机来完成，既节省了时间又大大节约了成本．本课题针对30m水头段水力资源的开发利用，运用先进的CFD流场仿真技术及FLUENT6．1软件对混流式水轮机进行了全流道数值模拟，分析了

4、在整个运行区域转轮内的流动情况，使水轮机内部流场得到改善，最终开发出了一个新的水轮机转轮水力模型。该课题处于学科前沿，既有学术和社会效应意义，又有实际工程应用与经济价值。对该水头段国内现有的水力模型做了扩充。30M水头段高性能水力模型的开发1．2水轮机CFD流场计算国内外研究现状在计算机还不发达的60年代，水力机械转轮的设计主要是半经验的二维计算方法。70年代以后，由于计算流体力学的发展，国内外流体机械叶轮的设计方法，绝大多数是以吴仲华提出的S，和S，流面理论为基础发展起来的乜1。随着科学技术水平的提高，特别是计算机技术的发展，现在发展迅速的CFD技术被大部分工程技术人员运用于流场与水

5、力模型的研究和开发中。在科学发展史上，物理实验和理论分析一直是科学研究的两种基本方法。但是，近来越来越多的研究人员认为计算流体动力学(CFD)方法是有别于物理实验和理论分析的第三种研究方法口1。众所周知，理论分析仅适用于研究对象较为深刻且问题较为简单的场合，但对大多数工业问题无法得到满意的结果。而物理实验研究方法也存在一定局限性，并非任何情况下都可进行实验。CFD方法正是在这种情况下诞生的，它可以完全克服上述两种方法的缺点。CFD是指用计算机来模拟流体的流场，建立流体机械最佳流道的流体动态。CFD软件的发展始于20世纪的70年代，进入90年代后，被工业界广泛接受，应用范围不断扩大HAl

6、。90年代以来，流体运动数值模拟技术得到了迅速发展，已广泛应用于航空、航天、能源、石油、化工、动力、气象等各个领域，为工程应用提供了基本可靠的理论指导。目前，已有比较成熟的流动分析商业软件如FLUENT，CFX，STAR—CD，NUMECA，ANSYS等。水轮机内部流动的数值模拟和性能优化的研究近年来已得到了很大发展，其研究内容主要包括计算区域的确定与网格划分、建立描述流体运动的数学模型、选择或发展合适的数值离散方法，在求解域内对流动方程进行离散并形成代数方程组，代数方程的求解，针对计算结果分析、返回通流部件的几何修型、再进行数值分析，直至达到满意的结果。因为其分析计算的可靠性、精确性

7、和对大规模复杂流动的适应性以及使用上的方便性有了很大的提高，特别是一些应用范围广、计算能力强、收敛速度快、计算结果可靠并具有良好前后处理界面的软件达到了工业应用水平，使得CFD技术在流体分析研究中成为了一个强有力的工具。在国内，CFD技术应用在水力机械方面，是采用七一占紊流模型对N—S方程作平均化处理来计算水轮机内部的速度场、矢量场、压力场，并进行数值效率计算对性能进行预测与分析№J1。开发并应用了导水机构双列叶栅势流和粘性流动分析，导叶压力分