[發(fā)明專利]基于能量梯度理論的混流式水輪機尾水管改進(jìn)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310753149.2
• 申請日: 2013-12-30
• 公開（公告）號: CN103726973A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 竇華書;牛琳;蔣威;賁安慶;馬曉陽;鄭路路
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江理工大學(xué)
• 主分類號: F03B11/00
• 分類號: F03B11/00;F03B11/04
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 杜軍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水利水電技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于能量梯度理論的混流式水輪機尾水管改進(jìn)方法。

背景技術(shù)

水輪機在運行過程中，水流經(jīng)過蝸殼、導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪及尾水管等過流部件時會產(chǎn)生摩擦、撞擊、渦流、脫流等復(fù)雜流動現(xiàn)象，其中尾水管內(nèi)流動不穩(wěn)定對水輪機性能的影響非常大。當(dāng)水輪機偏離最優(yōu)流量運行時，尾水管內(nèi)會出現(xiàn)偏心渦帶，引起水流紊亂，使其內(nèi)部水力損失急速增大。由于渦帶的不穩(wěn)定，能夠引起機組振動。另一方面，渦帶的中心壓力很低，還可能產(chǎn)生對水輪機危害極大的空蝕。因此，尾水管內(nèi)渦帶引起的壓力脈動以及內(nèi)部的水力損失對水輪機性能的影響很大。

目前，當(dāng)水電機組出現(xiàn)尾水管偏心渦帶引起的振動時，通常采用兩種措施減輕其影響。一種是對轉(zhuǎn)輪區(qū)進(jìn)行補氣，這種方法雖然在一定程度上減小了振動，但其也引起了許多不良現(xiàn)象，如水輪機出力會降低、轉(zhuǎn)輪后面的壓力脈動增大等。另一種是在尾水管內(nèi)加導(dǎo)流隔板，隔板可以設(shè)置在尾水管各個部位，其中尾水管擴散段隔板位置對效率的影響非常大。現(xiàn)有的尾水管大多在擴散段設(shè)置一到兩個隔板（隔離墩），然而沒有明確的研究說明隔離墩位置和個數(shù)對尾水管性能的影響。尤其是目前我國水電機組常常處于非設(shè)計工況下，其穩(wěn)定性問題日益突出，亟待優(yōu)化尾水管設(shè)計。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有研究的不足，提供一種基于能量梯度理論的尾水管改進(jìn)方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下：

步驟(1).模擬尾水管內(nèi)的流動物理參數(shù)；

步驟(2).計算整個流場的能量梯度函數(shù)K；

步驟(3).找到尾水管內(nèi)流動最不穩(wěn)定的位置；

步驟(4).改變隔離墩的數(shù)量，找到最優(yōu)隔離墩數(shù)量；

步驟(5).改變隔離墩的位置，找到最優(yōu)隔離墩位置。

步驟（1）所述的模擬尾水管內(nèi)的流動物理參數(shù)具體如下：

1-1.利用CFD技術(shù)模擬混流式水輪機尾水管內(nèi)的流動，得到整個流場的物理參數(shù)；

所述的物理參數(shù)包括水流速度、壓強、湍流粘度，具體獲取如下：

針對部分工況條件下的水輪機，采用CFD技術(shù)對混流式水輪機尾水管內(nèi)的非定常流動進(jìn)行數(shù)值模擬，模擬過程中控制方程采用非定常三維不可壓縮的雷諾平均納維-斯托克斯方程和連續(xù)性方程模擬尾水管內(nèi)的流動，同時使用RNG?k-ε雙方程湍流模型封閉方程組；網(wǎng)格采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，并利用有限體積法對非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格下的控制方程在空間上進(jìn)行離散；時間推進(jìn)采用半隱式的格式；然后，在計算域上施加邊界條件，分別在給定的幾何參數(shù)和不同的流動條件下，進(jìn)行模擬計算，得到尾水管內(nèi)的三維湍流場隨時間的變化規(guī)律，并獲得流場物理參數(shù)，包括水流速度、壓強和湍流粘度。

所述的邊界條件具體如下：

（1）入口條件：尾水管入口速度用Batchelor渦表示，具體設(shè)置如下。

采用圓柱坐標(biāo)（r^*,θ,z^*），Batchelor渦的徑向、切向、軸向速度分量分別為如下：

U^*(r^*)＝0??????????????????????????(1)