混流式水轮机尾水管内涡带特性的研究与控制

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1、浙江理工大学硕士学位论文混流式水轮机尾水管涡带特性的研究与控制混流式水轮机尾水管内涡带特性的研究与控制摘要水力发电的高速发展推动了水电机组向安全、高效和大容量方向改进，这必将对作为水电站的核心动力设备水轮机提出更高的要求。当前，尾水管涡带引起压力脉动而导致水轮机振动的现象是普遍存在的，因此，研究和控制水轮机尾水管涡带的发展成为了当前研究的重点。为了深入地研究尾水管内的流动结构和特性，本文首先以90°弯管为研究模型，控制方程采用三维不可压缩的Navier-Strokes方程，对于湍流流动，采用RNGk湍流模型来封闭方程组，进而模拟弯管内部的流场。以

2、此为工作基础，展开对混流式水轮机尾水管内部流动稳定性的研究。主要研究内容和成果如下：（1）在对90°方形截面弯管内部流动进行研究时，发现了迪恩涡分裂现象。层流条件下，当雷诺数高于338时，弯管横截面上迪恩涡发生了分裂；而当雷诺数低于338时，迪恩涡没有发生分裂。湍流状态下，弯管截面的迪恩涡总是两个，不发生分裂。（2）进一步研究了影响迪恩涡分裂的部分因素，研究发现，迪恩涡分裂现象受来流雷诺数、横截面形状、曲率的影响。（3）采用5种切向速度入口条件，对混流式水轮机尾水管内部流动进行了非定常数值模拟。研究发现：尾水管入口切向速度的最大值越接近尾水管截面中心

3、，尾水管压力脉动幅值越小，尾水管速度剖面中准自由涡所占的比例就越大，涡带稳定性越好。（4）研究了尾水管隔离墩的间距和角度对尾水管水力稳定性的影响。研究发现：尾水管隔离墩设置的变化，引起了尾水管性能的变化，即恢复系数和相对水力损失，并没有改变水轮机尾水管的稳定性。关键词：涡带；切向速度分布；压力脉动；隔离墩；能量梯度理论I浙江理工大学硕士学位论文混流式水轮机尾水管涡带特性的研究与控制StudyandcontrolofthevortexropeindrafttubeofFrancisturbineAbstractThehighspeeddevelopme

4、ntofhydropowerpromotesthehydropowerunittowardstosafety,highefficiencyandlargecapacity.Itisboundtoputforwardhigherrequirementsforhydroturbine,actingasthecorepowerequipmentofhydropower.Atpresent,pressurefluctuationcausedbyvortexropeinthedrafttubeisacommonphenomenon.Therefore,thes

5、tudyandcontrolofstabilityofthevortexropeinturbinedrafttubehavebecomeafocusofthecurrentstudy.Firstly,a90°bendisregardasresearchmodelfordeepresearchoftheflowstructureandcharacteristicsinthedrafttube.Theinternalflowfieldofbendissimulatedbyusingthree-dimensionalincompressibleNavier

6、-Strokesequations,andtheequationsarecoupledwithRNGturbulencemodelforturbulentflowasworkfoundation.ThenthestudyonthestabilityoftheinternalflowindrafttubeofFrancisturbinebegins.Themainresearchcontentsandresultsofthispaperareasfollows:(1)ThephenomenonofDeanvortexsplittingisfoundin

7、thestudyoftheinternalflowin90°bendwithsquarecross-section.Forlaminarflow,theDeanvorticesonthecross-sectionofelbowsplitwhentheReynoldsnumberislargerthan338.WhiletheDeanvorticesneversplitwhentheReynoldsnumberissmallerthan338.Forturbulentflow,theDeanvorticesonthecross-sectionareal

8、waystwo.(2)TheimpactfactorsoftheDeanvortices’splitting