污水处理厂尾水发电站水轮机全流场的CFD分析

【摘要】： 水电是可再生的清洁能源,是中国能源结构的重要组成部分。近年来,我国经济快速发展,随着工业、农业的发展提速以及城市基础设施建设步伐的加快,社会电力需求紧张的矛盾开始凸现。同时随着水力资源的开发,可利用的高水头资源己经越来越少,所以低水头水电开发逐渐引起各方面的广泛关注。在这种情况下,我国第一个污水水处理厂尾水发电站于2009年9月在重庆正式发电运行。该项目综合考虑了社会经济发展的需求、能源的节约、水环境的保护与开发利用,符合国家有关节能减排、发展循环经济的相关政策。作为循环经济示范工程,为同行业开展循环经济研究提供参考,具有较大的借鉴意义。 水轮机作为水电站的核心部件,对水电站的运行起着决定性的作用,水轮机技术的研究一直伴随着水电的开发在不断地发展。但是,国内外的不少水电站也因一些尚未解决的技术问题导致机组出现异常甚至过流部件的损坏,因此,还是存在着困扰水轮机安全高效稳定运行的一些技术难题筮待解决。另外,随着机组容量和尺寸的逐步增大,水轮机比转速不断提高,人们对于混流式水轮机的运行稳定性日益重视,这使得进行水轮机内部流场的模拟解析十分必要。总之,开展水轮机过流部件内部的定常及非定常流动分析对于深入了解水轮机振动的内在机理、改善水轮机的综合水力性能、提高水轮发电机组的运行稳定性具有十分重要的意义。 本文以该污水处理厂尾水发电站的水轮机为参考,建立了该水轮机的全流道几何模型,并应用CFD软件对其内部流动进行了数值模拟,通过计算结果对水轮机内部流动情况及性能进行了分析。 本研究具体完成的工作内容如下: 一、根据所选水电站的实际水力参数,用Unigraphics软件建立了该电站的蜗壳、导叶、尾水管等水轮机过流部件的三维几何模型,并将建好的水轮机的三维模型导入gambit软件中,对过流部件进行网格划分。 二、研究了利用Fluent软件对水轮机各主要部件的边界设定、参数选择、求解计算等一系列软件应用的关键步骤。将已经做好的网格文件导入软件后设置边界条件并进行计算。 三、采用数值模拟方法分析该混流式水轮机在清水介质中分别在大流量、最优工况、小流量工况下全流道三维定常湍流动,建立了基于CFD分析的混流式水轮机性能预测方法。 四、对求解收敛的结果进行后处理,得到了各个计算流体区域的速度矢量分布、压力等值线分布、湍流强度等值线分布,分析流体流动状态、速度分布和压力变化。通过对比和分析水轮机内部流动特征,获取水轮机各过流部件的流动信息,在定量和定性两个方面评价水轮机的性能。 【关键词】：污水处理厂 尾水发电站 水轮机 全流道 数值模拟 性能分析
【学位授予单位】：西华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TV136.1
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 课题的来源11
• 1.2 课题研究的背景、目的及意义11-15
• 1.2.1 课题研究的背景11-14
• 1.2.2 课题研究的目的及意义14-15
• 1.3 低水头水轮机机组开发的国内外现状15-19
• 1.4 本文的主要研究内容19-21
• 2 水轮机内部流动的数学模型及其CFD 理论21-35
• 2.1 引言21-22
• 2.2 计算流体动力学（CFD 技术）概述22-25
• 2.2.1 CFD 技术基本原理22-23
• 2.2.2 CFD 技术求解过程23
• 2.2.3 Fluent 软件介绍23-25
• 2.3 流体动力学控制方程25-28
• 2.3.1 质量守恒方程25-27
• 2.3.2 动量守恒方程27-28
• 2.3.3 能量守恒方程28
• 2.4 三维湍流模型28-31
• 2.4.1 湍流理论及其数学描述28-29
• 2.4.2 湍流模型29-31
• 2.5 基于有限体积法的控制方程的离散31-35
• 2.5.1 常用的离散化方法31-33
• 2.5.2 常用的离散格式33-35
• 3 水轮机全流道三维几何建模35-49
• 3.1 引言35
• 3.2 常用CFD 前处理几何建模软件介绍35-38
• 3.2.1 Pro/ENGINEER35-36
• 3.2.2 AUTO CAD36
• 3.2.3 Unigraphics NX36-38
• 3.3 水轮机的基本设计参数38
• 3.4 三维实体建模的方法及其原理38-40
• 3.5 水轮机过流部件的三维数字化建模40-49
• 3.5.1 水轮机蜗壳的建模40-42
• 3.5.2 水轮机导叶的建模42-43
• 3.5.3 水轮机转轮的建模43-47
• 3.5.4 水轮机尾水管建模47-48
• 3.5.5 过流部件整体建模48-49
• 4 水轮机过流部件网格的生成49-63
• 4.1 引言49
• 4.2 网格类型及特点49-53
• 4.2.1 结构化网格49-51
• 4.2.2 非结构化网格51-52
• 4.2.3 混合网格52-53
• 4.3 网格单元与网格区域53-56
• 4.3.1 网格单元分类53-55
• 4.3.2 网格区域分类55-56
• 4.4 网格生成原则及其生成过程56-57
• 4.4.1 网格生成原则56-57
• 4.4.2 网格生成过程57
• 4.5 生成网格的专业软件57-59
• 4.5.1 常用的网格生成软件57-58
• 4.5.2 专业网格生成软件GAMBIT58-59
• 4.6 网格质量标准及控制59-60
• 4.7 水轮机过流部件全流道网格生成60-63
• 5 水轮机全流道数值模拟63-97
• 5.1 引言63
• 5.2 计算工况点的选取63
• 5.3 边界条件63-65
• 5.4 流场数值计算方法65-67
• 5.5 SIMPLE 算法概述67-68
• 5.6 数值计算收敛的判断68-69
• 5.7 水轮机过流部件全流道三维数值模拟69-97
• 5.7.1 混流式水轮机蜗壳流场数值模拟及分析69
• 5.7.2 混流式水轮机导水机构流场数值模拟及分析69-76
• 5.7.3 混流式水轮机转轮数值模拟及分析76-85
• 5.7.4 混流式水轮机尾水管流场数值模拟及分析85-97
• 6 结论与展望97-99
• 6.1 结论97-98
• 6.2 展望98-99
• 参考文献99-103
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况103-104
• 致谢104-105

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