1500米水頭段多級能量回收透平水力模型方案的開發(fā)研究.pdf

1、能源是可以直接或通過轉換提供人類所需的有用的資源。能源是國民經濟發(fā)展的重要基礎,也是人們生產和生活的重要物質基礎保障。隨著經濟的發(fā)展,能源問題已成為了世界所關注的焦點。能量回收水力透平可以將工質流體中含有的機械能進一步回收利用,以降低能量的損耗,因此隨著能量回收水力透平應用領域的增大,人們對其性能有了更高的要求。近幾年,計算流體動力學----CFD技術己日臻成熟,它在流體機械的模型開發(fā)研究和內部流場分析方面的應用越來越廣泛。CFD數(shù)值模

2、擬能夠較準確地獲得流體機械內部流場分布及各過流部件內部流動狀態(tài)信息,為研究流體機械的性能提供了技術支撐,是成功設計出高性能流體機械模型和對現(xiàn)有流體機械進行優(yōu)化的有效手段。目前,能量回收水力透平的設計理論還不成熟。就工作原理而言,能量回收水力透平相當于超低比轉速的水輪機,將工質流體中的能量轉換為旋轉的機械能。但相對于多級的能量回收水力透平機,它又與多級泵有相似之處。傳統(tǒng)意義上,認為泵的反轉就是能量回收水力透平機,但泵反轉并不是完全符合能量

3、回收水力透平機的流動狀態(tài)和運行工況,因此性能比較差。為此,開發(fā)出性能優(yōu)良的能量回收水力透平機,能更加充分、有效地回收能量資源,把潛在的資源優(yōu)勢轉化成經濟效益和社會效益,具有一定的學術價值和現(xiàn)實意義。
　　 本研究針對1500m水頭段的能量回收水力透平進行設計和優(yōu)化,運用CFD流場仿真技術對能量回收水力透平機的內部流動進行探討研究。計算以連續(xù)性方程、雷諾時均N.S方程作為其控制方程,采用標準κ-ε雙方程湍流模型使方程組封閉。流速、

4、壓力的求解采用SIMPLE算法實現(xiàn),離散采用具有二階精度的隱式格式差分。計算結果詳細地顯示出透平內全流道的流速和壓力分布,驗證了設計方法的科學性。最終開發(fā)出了一個性能比較優(yōu)良的九級能量回收水力透平機的水力模型方案。主要研究內容如下：⑴依據已有的幾何參數(shù),將1500m水頭段的能量回收水力透平機的級數(shù)分別確定為八級,九級和十級,運用一元理論設計方法,借鑒混流式水輪機和多級泵的設計理論,對相應級數(shù)的轉輪和過流部件進行了水力設計計算。⑵借助Pr

5、o/E對已設計出的能量回收水力透平機的轉輪和過流部件分別進行了三維實體造型;用ICEM和Gambit對實體造型劃分非結構化網格,比較了ICEM和Gambit劃分網格的優(yōu)缺點,分析和解決了網格劃分階段易出現(xiàn)有洞和碎面的問題,提出了ICEM和Gambit結合畫網格的方法。⑶對初始設計的水力模型方案進行數(shù)值模擬,通過分析數(shù)值模擬的結果對相關部件的幾何尺寸做了改善。通過對不同級數(shù)的能量回收水力透平機的模擬結果的比較,提出了本水頭段透平機最適合的