水斗非定常自由水膜流三维贴体数值模拟

本研究采用水斗三维非正交贴体坐标系进行了非定常自由水膜流动的数值解析。对不规则水斗内表面采用三维非正交贴体坐标系下离散点进行拟合,推导了曲面离散点的法向矢量和曲面微元面高斯曲率、平均曲率等几何特征量的计算公式,进而导出流体粒子在运动方向上曲率计算式。在水斗三维贴体坐标系中,还推导了流体粒子在水斗曲面上的运动控制方程。最后对某水轮机水斗内表面非定常自由水膜流进行了数值模拟,得到其非定常水膜流态分布。     

转轮优化设计二元能量收支控制新理念

大流量贯流式水轮机转轮叶片由轮毂至轮缘形状变化很大,流动特征变化亦非常明显,采用代表半径处能量平均的一元设计将不能满足要求。为了使转轮叶片设计达到更细致的优化设计目标,非常有必要进行二元的转轮叶片翼型优化设计。本文提出将一元能量概念及技术扩张至二元能量收支的新概念。研究中由CFD三维数值解析结果求得叶片进出口二元能量收支状况并对其进行评价及控制,为转轮叶片翼型优化设计提供依据。研究结果表明,二元能量收支方法对优化设计具有实际意义,用此方法设计的贯流式水轮机效率比一元设计提高了0.5%。     

三维自由曲面上特殊点的自然基本矢量

冲击式水轮机的水斗是具有三维自由曲面的几何体,在曲面贴体网格(BFG)上,为了正确分析冲击式水轮机的流动,有必要引用非正交曲线坐标系.本论文介绍了如何得到边界贴体网格点的自然基本矢量 g.在计算基本矢量的过程中,对三个特殊点进行了研究.对这些点的自然坐标矢量运用对角线进行了重新定义,计算后得到了理想的计算结果.     

可调节活动导叶的形状解析

贯流式水轮机的活动导叶和转轮叶片都是可调节的,活动导叶开度角γG与转轮叶片角φR的协联关系相当重要,协联关系对水轮机设计及运行能够提供有效的帮助.至目前为止,γG和φR的协联关系即协联工况只能在水轮机设计完成后通过模型试验得到。本文在给定转轮叶片角φR的情况下,通过对活动导叶叶栅流道进行形状解析,进而在设计平台上预测对应协联工况开度角γG.     

转轮出流和尾水管入流的动态干涉

为了适应当前水电朝着成本更低、输出更加灵活的趋势发展,混流式水轮机在非设计工况点下运行时各水力部件之间干涉引起的流体动力作用和动态流动现象在水力设计过程中成为非常重要的一环.本文使用CFD技术获取尾水管中压力脉动情况,通过对动态能量分布的比较,陈述了转轮能量高速旋转传播造成的螺旋涡带缩胀变化,对尾水管流动的干涉作用.     

水斗曲面三维非正交贴体网格数值生成

为实现冲击式水轮机水斗内非定常流动的数值解析,需要高密度匀布非正交贴体坐标网格来拟合水斗曲面.本文开发了一种用于水斗曲面三维非正交贴体坐标匀布网格的数值生成程序,其主要算法是基于曲线与曲面的微分几何性质提出的四点投影法.程序可根据需要计算出不同密度的匀布贴体网格点.通过对两不同水斗的算例结果显示数值生成的网格很好地拟合了水斗不规则曲面,同时计算出各网格点的切向矢量和单位法向矢量.     

自由射流缩流机理研究

与喷到水中的水喷流(潜喷流 submerged jet)不同,喷到大气中水的喷流(自由喷流 free jet)从喷嘴喷出后会发生缩流,然后再渐渐扩散,但这种缩流的流动机理迄今都没有被非常清楚的描述。本文对喷管喷出的射流进行了详细的非定常粘性流动解析,究明了产生缩流时准自由射流区域内压能转化为动能的机理,并用数值计算方法对自由射流的缩流直径进行了预测。     

三维自由射流缩流及扩散的数值研究

由于非定常多相流特性,大气下水自由射流的水力性能相当复杂.本文依据弯管二次流机理确定的最优湍流模型,以六喷嘴冲击式水轮机最术端的喷嘴射流作为研究对象,进行了三维非定常自由射流的数值模拟解析.定量分析了三维自由射流在不同空间方向沿程变化的两相流流态.能量构造及射流形状,为水斗提供了真实的入流条件,确认了最未端喷嘴射流水力效率较差的原因:由于最末端喷管的急剧弯道使得射流产生了大幅度的膨胀扩散.     

基于转轮人口流动的最优导叶开度预测

灯泡贯流式水轮机有可调节开度的活动导叶和转轮叶片,活动导叶安装角α_G与转轮叶片安装角（?）_R的组合有无限多种。本文目的在于:通过CFD（计算流体力学）能够于设计阶段预测α_G和（?）_R的最佳组合（即协联工况角）,以最大程度提高设计的水力性能及特性。论文使用速度矢量、欧拉能量因子、压能因子和总能因子等讨论活动导叶、转轮、尾水管的内部流动状况,阐明协联工况下转轮开度（?）_Rcam对最佳的活动导叶开度α_Gcam的影响,提出基于转轮叶片入口相对流动角预测协联工况下活动导叶最优开度的机理及方法。推导提出的预测式可用于CFD解析结果也可用于设计初期时使用,研究成果可为转轮优化设计提供可靠的技术支持。