（流体机械及工程专业论文）基于混流式水轮机蜗壳改造的型线优化及其数值模拟.pdf

兰州理工大学硕士研究生学位论文摘要 摘要 在流体机械特性研究中，计算机辅助设计工具变得越来越重要“1 【”。特别是计 算机辅助生成的流体动力学的计算结果( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c ，c f d ) 越来 越多地被流体机械研究者所使用。一方面使用c f d 来研究流体机械内部流场可以 节省宝贵的实验资源；另一方面它可以显示不能从试验中测量到的很多流动特性 的细节。所以，c f d 有着非常重要的理论和经济意义。 本论文所做的工作主要有：从蜗壳的改造而不是整体更换蜗壳的设想出发， 希望能在改造过程中改变蜗壳磨蚀较为严重的鼻端部分的型线使鼻端的水流速度 比原来设计的速度有所降低，从而达到减小摩擦损失和磨蚀，提高蜗壳性能和寿 命的目的。具体方法是将原来磨损严重的尾段割掉后，将重新设计平均流速的尾 段作为改型后的尾段安装上去，由于放大了尾段截面积，从而达到了减小尾段平 均流速，减小泥沙磨损的目的。通过对改型前后两种蜗壳进行几何建模，采取完 全相同的网格划分方法和f l u e n t 计算参数设置，通过计算得到两种蜗壳在相同 工况下流态的差异。 本论文主要的研究成果如下： 改型后的蜗壳较改型前有更优异的水力性能，降低蜗壳尾段流速，减小泥沙 磨损，为大型混流式水轮机蜗壳的型线优化设计提供了有益的参考得出结论如下： ( 1 ) 蜗壳内部流态复杂，改造前后蜗壳全段均不严格符合f r = k ，改型后包角 p 1 4 5 。段矿r 较改型前小； ( 2 ) 改型后的k 在改型段的最大平均值比改型前有明显的减小，通过计算得出改型 后蜗壳寿命约为原蜗壳寿命的1 2 倍； ( 3 ) 改型后蜗壳出口液流角在改型段p 8 5 。以后比改型前有明显增加，在尾部最后 个固定导叶入口产生较大的冲角，应该对原蜗壳固定导叶进行修型，来减小撞 击损失，提高水力效率； 运行三年后的检查结果表明改型蜗壳的尾段磨蚀情况有了明显的减小，本改 型方案为大型混流式水轮机蜗壳的型线优化设计提供了有益的参考。 关键词：蜗壳；改造；优化设计；数值模拟 a b s t r a c t i nt l l e s t u d yo fh y r a l l l i cm a c h i n ec h a m c t e r i s t i c sc o m p u t e r - a i d e dd e s i g nt o o l s b e c o m ei n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt o s u p p o nt h em a c h i n cd e s i g l l a n dp e 怕m a n c e p r e d i c t i o n i np a n i c u l 弘c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n 锄i c s ( c f d ) a r em o r ca i l dm o r eu s e d b yh y d r a u l i cm a c l l i n em a n u f a c t u r e r s o no n eh a n di ti s 印p l i e di no r d e rt os a v e e x p e r i m e m “r e s o u r s e s 锄ds h o n e nt 1 1 ep e r i o do fe x p l o i t a t i o nf o rn e wp r o d u c t i o n s ，o n m eo t h e rh a i l di ti sa b l et os l o wd e t a i l e dn o wf e 咖r e s ，w h i c ha r en o ta s s e s s a b l eb y e x p e r i m e n t a l t 0 0 1 s ，s o 血er e s e a r c hi sv e r ys i g n i f i c a n ti nt 1 1 e o r ya i l de c o n o m y i nm e p a pe r ，m em e t h o di sp u tf o n v a r d t od e c r e a s e l es l i te r o s i o ni nt a i lp a no fm e s p i r a lc a s eb yc h a n g et h es h a po f t l l et a i lt oi m p r o v ei t sl i f cb a s e do ns p i r a lc a s er e b u i l d i n s r e a do fr e p l a c ei t i ne n g i n e e r i n g ，c u tt h et a i lp a r tw h i c hh a se r o d e ds e r i o u s l m d e s i g na n e wt a i l p a nw h j c hh a se n l a r g e ds e c t i o n ，t 1 1 e n t h en o wv e l o c i t yi sd e c ”a s e d ，a t f l r s t ，m r e e d i m e n t i o n a lm o d e l i n ga 1 1 dm e s h i n go fm en e wd e s i g n e ds p i r a lc a s ea n d f o 瑚e ro n eh a sb e e np e r f 0 胁e di nt l l es a m ew a y u s ec f dt o o l st o c o m p a r et h e d i 娲r a n c eo f t h et 、v os p i r a lc a s ei nt h es 锄ew o r k i n gc o n d i t i o n t h en e w s p i r a lc a s eh a sm o r ep e r f b c tc h a r a c t e “s t i c st h a nt h eo l dm o d e l ，i td e c r e a s e t l l ev e l o c i t yo f t h en o wa n dt h es l i te r o s i o n t h eo r i e n t a t i o no f o p t i m u md e s i g nf b rs p i r a l c a s eo f 行a n c i st i l r b i n ew a ss h o w n n l em a i nr e s e 盯c hw o r ko f t h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h en o wc h a r a c t e r i s t i c si ns p i m lc a s ei sc o m p l i c a t e d ，t h en e ws p i m lc a s ea n d t h eo l do n ed on o tc o n f b mt 0m ef o r n l u l ak r = ks t r i c t l y ，ro fn e ws p i r a l c a s e i s l a r g e r t h a l l t h eo l d o n e i n t l l e p a r t 妒 1 4 5 。； ( 2 ) a v e r a g e 圪 o ft h cn e wd e s i g n e ds p i r a lc a s ei s1 e s st l l a l lt h c o l do n e s i 弘m c a i l t l yi nt a i lp a r t ，也e1 i f eo fn e ws p i r a lc a s ei s1 2 0 l o n g e r 血a i l 廿l eo l do n e ，t h e c o n c l u s i o nd r a w e d 矗o mm u n e r i c a ls i m u l a t i o n ： ( 3 ) t h en o ea n 西eo f 血e e ws p i r a lc a s ei n c r e a s eg r e a t l yt h a l lt l l eo l do n ei nm ep a n 妒 8 5 。，i ts h o u l dc h a i l gt h es h a po f t l l es t a yv a n eo f t h en e wd e s i g i l e ds p i r a lc a s eo rt l l e c l a s hw i l lb et o os 仃o n gt ol o s sm o r ee n e 曜em a nn o n l l a l k e yw o r d s ：s p i r a lc a s e ；r c b l l i l d ；o p t i m u md e s i g n ； n u m e r i c a ls i i n u l a t i o n l i 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名 闲叭 日期：2 0 0 6年5 月5日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囵。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者躲阁式隰2 嘶年s 月 第一章绪论 1 1 研究本课题的背景及意义 由蜗壳和固定导叶组成的水轮机引水部件的水力设计对水轮机的性能有举足 轻重的作用。我国西部地区受自然条件的限制，河流含泥沙量较大，传统的蜗壳 设计方法基本上都是按照蜗壳内任意一点的k r = 足设计的。随着蜗壳鼻端半径 减小含泥沙水流速度增大会造成鼻端的局部损失得加大和严重磨蚀，从而影响水 轮机的正常运行，降低蜗壳的使用寿命，造成严重的经济损刿”。如青海省鼓浪堤 水电站曾经出现水轮机蜗壳被磨穿造成停机了的严重后果。我国西部水力资源丰 富，中小水电站星罗棋布，水轮机蜗壳的磨蚀是威胁机组安全运行的一个隐患。 多年来，水轮机蜗壳中的磨损一直是国内外的一个研究课题”1 。近年来比较切实可 行的做法是将磨蚀严重的鼻端割掉，重新焊接鼻端。本课题正是从蜗壳的改造而 不是整体更换蜗壳的设想出发，希望能在改造过程中改变蜗壳磨蚀较为严重的鼻 端部分的型线，使鼻端的水流速度比原设计速度有所降低，从而达到减轻磨蚀， 提高蜗壳寿命的目的。这就需要从蜗壳水力设计方面着手，改进蜗壳的型线与结 构以减小磨损使之能长期运行在多泥沙水流的恶劣工况下，从一定程度上解决蜗 壳在多泥沙水流中的磨蚀问题，提高蜗壳使用寿命，减少因设备原因造成的出力 下降甚至停机。我国农村小水电资源丰富，可开发量达71 87om w ，分布在 全国150o 多个县( 市) 。到2oo1 年底，已建成农村水电站4 万余座，装机 容量达28790m w ，占全国农村水电资源可开发量的4o ，其中运行30 年以上的小水电站的装机容量l5 3 om w ，运行20 年以上的小水电站装机容 量757om w ，分别占己建成的小水电站总装机容量的5 3 和26 3 。 这些小水电站的特点是：装机容量小( 大多在50 0k w 30ook w 以下) ， 台数多，技术落后，效率低，制造质量差，安全生产隐患多“1 。有的已经改造或停 运，有的正在改造，更多的则急需进行技术改造。如果仅用改造而不是整体更换 设备的方法可以达到提高机组寿命和水力效率的目的，则产生的效益是不可估量 的。 1 2 蜗壳设计方法的研究现状 针对多泥沙水流设计特殊结构的蜗壳的思路在我国早就有人提出，但是由于 蜗壳内流场的复杂性和实验手段落后，数值模拟方法无法准确的仿真实际流场等 原因，长期以来很难找到蜗壳的流场的准确分布规律，这就给改进蜗壳型线从而 减少水力损失带来了困难。从现有的资料来看我国仅有很少几例改变l r = 世设 兰州理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论 计方法的新型蜗壳且实际应用的尝试，这些新型蜗壳在改型方法上主要是按 圪，= k 斗圪= k ：j 叱，= 蜀进行设计，制造。国内在8 0 年代前设计蜗壳型 线时未考虑到与压力水管的经济流速相对应和减少蜗壳内的水流损失劬。，多着重 探讨蜗壳进口断面系数口的值，并拟定不同水头时的推荐口曲线。对混流式水轮 机( 设计水头日。= 2 0 3 0 米，口值在o 9 0 6 之间) 在按等速度矩f ，= k 设计 蜗壳型线时，为了减少机组段的宽度，我国将蝶形边角口定为5 5 “。这一时期， 国外认为转轮是水能转换机械，是影响水轮机效率，稳定性，产生空蚀磨损的关 键部件，将精力主要放在研究新型转轮的流态计算与结构改进上，而蜗壳内的流 速较小，且在少泥沙水流中运行未发现严重破坏，故未予足够重视。 8 0 年代后期东方电机厂采用，= 蜀，k ，= 丘，两种方法进行了蜗壳型线与 模型试验，前者流速系数口为o 8 3 6 ，后者口为o 8 9 8 。实验表明，后者的肝比前 者高1 ，5 “m i l l ，两者经试验效率相同”】。这种用矿= k ，设计蜗壳型线的意图在于减 小进口断面积增大尾部断面积，使机组间距不至加大，故该厂推荐用于大型机组， 并为二滩水电站采用矿，= k 。设计前半段蜗壳，用，= k ，设计后半段蜗壳的方 案。 与东方电机厂类似，西北勘测设计院与清华大学在拉希瓦水电厂( 装机容量 6 2 0 m w ，h 。= 2 0 0 米) 设计蜗壳时采用减小蜗壳进口断面( 即增大流速系数 口= o 9 0 ) ，在鼻端附近放大断面( 用k r = 蜀j 。= k ：设计新型蜗壳型线) 的 方案，并探讨了蜗壳和固定导叶的匹配。经模型试验后推算，可减少蜗壳水头损 失m = 1 8 米，年增加发电量8 0 0 0 万千瓦“1 。此外清华大学、中国水科院通过室 内实验及三维流动计算等方式进行了蜗壳内流态的分析，哈尔滨大电机研究所在 改造现有h l 0 0 1 w j 转轮时用有限元计算探讨了固定导叶的线型与活动导叶的 匹配问题，并推荐用鳄鱼型固定导叶。该方案在仪改变固定导叶头部形状情况下， 可使翼型头部最大流速下降】7 3 ，最大局部泥沙磨损减小4 3 5 。与此同时，东 方电机厂与刘家峡水电站采用特殊结构以消除进口水流经蝶形边后流至固定导叶 的漩涡。 本文立足于机组的改造，不同于一般的蜗壳常规设计，国内研究基本上都立 足于新型蜗壳的设计，一般都是提出针对多泥沙水流蜗壳的整体设计方案，很少 探讨对现有机型的改造。国外在9 0 年代以后对这类情况的研究经查阅资料未找到 有价值和应用于真机的实例。 1 3 按常规设计的蜗壳运行中存在的问题0 1 随着包角仍的减小蜗壳伸入到座环内的部分相对增大，会出现蜗壳的圆弧不与 蝶形边相切，仍越小此现象越为严重。当许小于某一临界角度时，为了使蜗壳与 2 兰州理 大学硕士研究生学位论文第一章绪论 蝶形边部相接，只有人为地修改这部分型线，使其变成椭圆形断面。由于传统蜗 壳是按照速度矩等于常数设计，仍小于临界角度时，随着半径的减小会导致鼻端 附近水流速度增大，由于磨蚀量正比于水流速度2 7 3 1 2 次方，如果长期运行于多 泥沙水流的工况，将会造成鼻端附近的严重磨蚀，甚至穿孔。所以应该尽量降低 蜗壳鼻端的水流速度，切向速度减小则磨蚀量减小。为了适应多泥沙水流需要设 计出鼻端不同于传统型线的新型蜗壳，在保证出口环量满足要求的基础上适当的 加大截面积，减小水流速度，从而减小含泥沙水流对鼻端的磨蚀及其引起的水力 损失。现在通用的蜗壳型线的设计方法具有以下缺陷应予改进( 即使是利用圪= k 的方法设计蜗壳型线也是如此) 。 ( 1 、国外已有的室内实验和三维流动分析得出，从鼻端附近水流蜗壳的周向、径向、 立面高度方面普遍存在较严重的不均匀分布，这与二次回流、水流内外摩擦阻有 关，用上述计算方法无法考虑仍减小时蜗壳壁面的侧面收缩的不均匀性( 随仍减 小，两相邻蜗壳断面间的收缩越大) 并引起沿整个蜗壳周向尤其是在蝶形边附近 的另一个附加涡流，因此，蜗壳内的流态与假定条件经计算后的蜗壳流态相差较 大1 。 蜗壳鼻端与进口相邻部分的水流掺混引起的流态紊乱“，蜗壳水流紊乱的最 严重处是鼻端与进口衔接部分。该部分是用最后一个固定导叶作为隔板将鼻端水 流域进口水流相隔。由于鼻端处的k 值大，并因外摩擦阻影响水流流向不完全沿 固定导叶向内侧流动，而从钢管进入蜗壳的水流矢量在此尚未形成理想的对数螺 线，在具有不同的压力、流速矢量的两种水流相遇后，易引起漩涡和流态混乱， 波及到进口断面内一定范围的流场。 ( 3 ) 蝶形边角口值对蜗壳内流态的影响“” 确定蝶形边角口值大小的因素有二： ( a ) 不使蜗壳宽度b 过大，尽量不增加机组宽度。 ( b ) 蜗壳中水流从蝶形边附近流入固定导叶区时，受旷及q 影响使进入固定导叶 区的水流派生出附加紊流。 从以上分析可以得出，若将口值减小，矿及q 影响小，可改善进入固定导叶的水 流的流态，但r ，及b 增大；且口值较小时，又引起在包角妒较小范围内出现用 一，= k 求得蜗壳断面型线内的误差。 ( 4 ) 无论是三维还是二维计算蜗壳内流场变化，为简化计算，一般假设蜗壳进口流 速为均匀分布，由于水流在蜗形段中流动时受离心力 f ：巫 r 兰州理工大学硕士研究生学位论文第章绪论 影响，产生二次流而限于理论水平，尚不能将f 引起的二次流在蜗壳内的流动形 式用数学模式表达出来，更难于与计算的吒、一、一迭加起来。 此外在计算水流外摩擦阻时，尚不能计算蜗壳每个环节的折角处引起的涡旋 水力损失量，国内外也仅能用一般水力学方法，按锥管( 弯曲，收缩) 来计算其 水力损失“。 进口断面部分： 矗：兄土垡 咖2 9 蜗壳段水力损失： 幽，：丑堕垡 2 2 p2 9 ，按吒，：世取值，将圪。：墨带入上式得： 幽：譬( 譬) 却 4 9 ? 2 a 。j 从而得到矗：为： 吃= 广篆c 争却 式中，。为锥管长度，砌? 、t 。尾锥管中间断面的直径和平均流速，p 二为锥 管中间断面平均圆周流速( 近似取圆断面中心处的圪) 。 由上可见，上述计算损失的方法与蜗壳内部实际水力损失相差较大。 1 4 本课题所研究的主要内容 本论文针对应用广泛的小型机组，以青海鼓浪堤水电站h l 2 2 0 w j 7 1 水轮机 组蜗壳为对象，采用现场试验与数值模拟相结合的方法，寻求蜗壳型线修改的方 案，具体研究内容如下： 1 用f l u e m 的前处理软件g m a b i t 对以k ，r = 毛方法设计的蜗壳建模，再用g a m b “ 对用k = 丘：方法设计鼻端而前半部分仍按照，r = t 方法设计的部分相拼接的 新蜗壳建模，并生成网格。把两个网格导入f l u e n t 中，选定合适的湍流模型， 按照机组设计工况对初始条件，边界条件进行定义，迭代求取数值解。 2 通过对数值解的分析给出改进前和改进后的蜗壳对称面上的压力分布和速度 4 兰州理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论 分布。 3 找出改型后较之改前的蜗壳出口处的水流流态有哪些改变，分别给出切向速 度，径向速度沿蜗壳出口高度和包角的变化规律。 4 研究在机组设计工况下改型后的蜗壳在改造断面的平均切向速度较改型前减 小的具体量值。 5 将改型后和改型前蜗壳的平均切向速度值带入经验公式，给出改进后的蜗壳寿 命的增加量。 6 通过对改型后同改型前蜗壳尾段流态的对比，提出针对放大尾部断面的新型蜗 壳的固定导叶修型方案，为今后新型蜗壳的设计提供参考。 第二章几何建模与网格划分 2 1 建模工具g m b i t 简介“4 】 g a m b i t 是专用前处理软件包，用来为c f d 模拟生成网络模型。由它生成的 网格，可供多种c f d 软件使用，介绍g a m b l t 的特点及基本用法，从下一节开始， 介绍如何将c f d 软件与g a m b i t 联合使用。 2 1 1g a m b i t 的特点 g a m b i t 的主要功能包括3 个方面：构造几何模型、划分网格和指定边界。 其中，划分网格是主要的功能。它最终生成包含有边界信息的网格文件。 g a m b i t 提供了多种网格单元，可根据用户的要求，自动完成划分网格这项 繁杂的工作。它可以生成结构网格、非结构网格和混合网格等多种类型的网格。 它有着良好的自适应功能，能对网格进行细分或粗分，或生成不连续网格、可变 网格或滑移网格。 在网格生成之后，用户可在g a m b i t 中指定边界，指定边界的目的是为后续 进行c f d 模拟时输入边界条件。 g a m b i t 本身提供了几何建模功能，只要模型不太复杂，一般可以直接在 g a m b i t 中完成几何建模。但对于模型复杂的c f d 问题，特别是三维c f d 问题， g p m b i t 可以导入c a d 软件或前处理软件生成的几何模型，能够导入的几何模型 文件的类型包括a c i s 、p a r a s o l i d 、i g e s 和s t e p 等格式。 g a m b i t 是一种开放性的软件，它不仅体现输入方面，还体现在输出方面。它 不仅仅能为f l u e n t 输出网络，而且还可以为其他的分析软件提供网络，如 a n s y s 等。 2 1 2g a m b i t 的操作界面 g a m b i t 启动后，出现操作界面。该操作界面分为六大区域。 2 1 2 1 显示区 该区域位于界面的中央，是6 大区域中最大的一块，用于显示几何模型及生成 的网格图。如果需要，该显示区可以拆分4 个小区，这样便于显示和操作。 2 1 _ 2 2 菜单区，g a m b i t 的菜单区位于显示区的上方，共有f i l e 、e d “、s o i v e 和 h e l p 4 个菜单。其中，f i l e 菜单提供的操作包括打开文件、保存文件、从文件中导 入模型、导出当前模型、退出等。e d i t 菜单提供的操作包括修改系统设置、取消上 一步操作、重复刚取消的操作等。s o l v e r 菜单用来选择求解器的类型，如 f l u e n t 舢n s 、f l u e n t 5 6 和a n s y s 等。h e l p 显示帮助信息。 2 1 2 3 操作区 操作区位于界面右侧，由3 个层面的命令组及当前命令使用的对话框构成。 6 其中，第一层次的命令组为o p c r a t i o n ，包含4 个二级命令组，依次g e o m e t r y ( 几何 操作) 、m e s h ( 网格划分) 、z o n e s ( 区域指定) 和t o o l s ( 工具) 。这4 个命令组分 别有一个按钮与之对应。使用g a m b r r 的大部分命令都通过4 个按钮出发。它们 的功能分别是： 1 g e o m e t r y 命令组提供了建立点、线、面及组的多种方法，以及相关的颜色 控制、信息统计和数据删除等功能； 2 m e s h 命令组包括对边界、线、面、体和组的网格划分、网格联结、信息修 改等功能； 3 z o n e s 命令组用于指定和命名模型及模型的边界； 4 t 0 0 l e 命令提供了网格生成时的一些辅助工具。 刚一启动g a m b i t 时，只显示最高层次命令组，既o p e r a i i o n 命令组。单击 命令组中的某个命令按钮时，会出现相应的二级命令组。单击二级命令组中的按 钮，会出现三级命令组。例如，显示的3 个层次的命令组分别为：o p e r a t i o n 、g e o m e t r y 和v e r t e x ，与v c r t e x 命令组中的d e l e t ev e n i c e s 命令相对应的对话框是d e l e t e v j n i c e s 。 2 1 - 2 4 操作提示区 操作提示区位于显示下方，由两个小窗口构成，标题分别为t r a n s c r i p t 和d e s c r i p t i o 。 其中，t r a l l s 嘶p t 窗口用来显示操作信息，包括完成过程中的一些重要信息和操作 失败的原因。d e s c r i p t i o n 窗口给出当鼠标指针移到某个按钮上时的提示信息。 2 1 2 5 命令提示行区 命令提示行位于界面的最下方，窗口的标题是c o m m a n d 。用户可在该区域输 入所需要的命令。 2 1 2 6 控制区 控制区位于界面右下角，标题为g l o b a lc o m r o l 。通过单击该区域内的按钮， 可对显示区内坐标系标识、颜色、模型的各个显示属性等进行控制。控制区中第 一行上的5 个小图标按钮，用于控制显示的4 个小区。第1 个小图标按钮控制左 上区，若图标按钮中的深红色部分为红色，则表明显示区的左上区是活动的，可 以操作，例如改变显示角度等：如果是灰色的，那么左上区不能进行操作。第2 到第4 个图标的功能与之类似。最后一个图标的作用是将显示区中所有的小区变 为活动区。第2 行中的各个图标按钮的作用是控制显示区域大小和视角等。5 个按 钮的功能依次是：缩放图形显示范围以使图标整体全部显示在当前窗口中，设置 旋转图形时用的旋转轴心，使用上一次的菜单及窗口配置更新当前显示，改为光 源的位置和撤消上一步的操作。第3 行中的各个图标按钮的作用是控制显示属性。 5 个按钮的功能分别是为模型显示确定方位、指定模型是否可见等属性、指定模型 显示的外观( 如线框、渲染或消隐等) 、指定颜色模式( 是否将模型颜色与几何属 性相关联) 及放大局部网格模型( 用于对网格进行仔细考察) 。 在g 删b i t 中，按下鼠标左键并拖动，可以实现模型的旋转：按下中键并拖 动，可以移动模型：按下右键并向上拖动可以缩小模型，向下拖动则放大模型， 向左或向右拖动则部分放大到整个显示区：同时按s 蛐r 键和鼠标左键。表示选中 模型或者模型的几何元素，该功能只在特定的操作过程中有效。 2 1 3g a m b i t 的操作步骤 对于一个给定的c f d 问题，可利用g a m b i t ，按如下3 个步骤生成网格文件： ( 1 ) 构造几何模型。这个环节即可利用g a m b i t 提供的功能完成，也可在其他 c a d 软件中生产几何模型后，导入g a m b i t 之后。在生成几何模型后，可将模型 以默认的d b s 格式或其他c a d 格式( 如a c i s 格式) 保存到磁盘上。 ( 2 ) 划分网格。这个环节需要输入一系列参数，如单元类型、网格类型及有关选 项等。这是生成网格过程中最关键的环节。对于简单的c f d 问题，这个过程只是 操作几次鼠标的问题，而对于复杂的问题，特别是三维问题，这一过程需要精心 策划、细心实施。这各环节结束后，一个与之解域对应的网格模型便制作出来， 用户可从多个视角观察这个网格模型。 ( 3 ) 指定边界类型和区域类型。因c f d 求解器定义了多种不同的边界，如壁面 边界、进口边界、对称边界等，因此在g a m b i t 中需要先指定所使用的求解器名 称( 如f l u e n t 5 6 ) ，然后，指定网格模型中各边界的类型。如果模型中包含有多 个区域，如同时有流体区域和固体区域，或者是在动静联合计算中两个流体区域 的运动不同，那么必须指定区域的类型和边界，将各区域区分开来。 当上述3 个过程全部结束后，可将带有边界信息的网格模型存盘( 文件拓展名 + d b s ) 或输出为专门的网格文件( + m s h ) ，供c f d 求解器读取。 2 2 传统蜗壳水力计算方法介绍“”“6 “”“”1 传统蜗壳的水力设计方法是按照矿r = c o n 盯设计，蜗壳和座环蝶形边相接 ( 或相切) 的连接方式曾广泛使用于中型水轮机，至今有些大型水轮机仍然采用 这种连接方法。 2 2 1 蜗壳进口断面 当圆断面的蜗壳包角为九，水轮机流量为q 时，蜗壳进口断面流量为 q o = 羔丸 若蜗壳进口断面平均流速为k ， 则蜗壳进口断面半径为 n = 鲁 2 _ 2 2 蜗壳中间断面 2 2 2 1 中间断面半径b 和所在角谚的关系 因为 则 通过微圆面积b 出的流量为 坦= 吒6 咖 流经第i 断面的流量为 q = f 匕6 ( ，) 咖 从图2 一l 知 解之得 将其带入q 表达式得 吒r = 瑚， g ：r 世鱼 屯r p ，=骊 6 ：2 厄( 丽 q 班r ，迓掣 9 ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ，一 、 门力时 酽 口 。 图2 1蜗克中i 司断向 积分上式并取屹= 口一一和r ，= d ，+ n 得 q = 2 旅( q 一扛c 孑) 因为 q = 暑办 所以 羔鸹一厅彳 令 翌：土 7 2 0 。刀c 得 强一薅i ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 蜗壳水力计算的目的是要得到各以角时蜗壳断面的半径b 即b = ，( ) 的关 系。为此要计算c 7 的值和该咖角时的口，值。 2 2 2 2 蜗壳常数c 从式( 2 - 5 ) 知，各断面的c 均为常数，故称c 为蜗壳常数。可按蜗壳进口断面 1 0 有关数值计算c 。 对蜗壳进口断面，式( 2 6 ) 可写成 参= q 一厅彳 ( 2 - ，) 式中丸一蜗壳包角； 口一蜗壳进口断面中心线至机组轴线的距离； p ，一蜗壳进口圆断面半径。 根据式( 2 1 ) 计算蜗壳进口断面半径b ，根据结构要求初步定蜗壳和座环蝶形 边接点d 的位置0 和。由此可计算d ， r ：- 口1 = + n 2 一a d 2 己知丸、n 和a 1 ，即可用式( 2 7 ) 计算蜗壳常数c ，同时可计算速度矩常数 k 。 2 2 | 2 3 不同以角时的a ， 蜗壳任一断面的中心线至机组轴线的距离为 口，= 乃+ x ， 将a ，= 。+ _ 和n = 、，；丽代入式( 2 6 ) 得 专吨q 卜厄丽诵( 2 - 8 ) 解之得 铲鲁+ 琢 ( 2 9 ) 式中c 为蜗壳常数，白和k 为设计蜗壳时给定的尺寸，故式( 2 9 ) 表达了x ，与庐 的关系。 已知c 即可给出一组并计算与之对应的x ，值，并同时得到 驴瓣 a 。= r d + x r ? = a 。+ p 2 2 3 蜗壳尾端的椭圆形断面 为保证向蜗壳部件供水均匀，自蜗壳进口至尾断断面越来越小。当圆断面减 小到一定程度，蜗壳就不能和座环在给定的位置如图f 2 ，1 ) 上d 点相接。这时根据 结构的需要就要改变蜗壳尾断的断面形状。通常按面积相等的原则把断面变为椭 圆形断面。 椭圆形断面蜗壳的设计步骤如下： 2 2 3 1 圆断面变为椭圆断面的临界角度。 当圆断面半径0 d 垂直于座环蝶形边d 点切线d m 时，该半径就为圆断面变 为椭圆断面的i 临界半径所。当日岛时，蜗壳可在d 点与座环相接或相切。当 n p ，时应把圆断面改为椭圆断面。 从图( 2 2 ) 知 将x 值代入式( 2 8 ) 得 x ，= 增珂 ( 2 10 ) 厂 。、 、， 灭j对 1 一 图2 2 岛 岛时蜗壳断面计算图 鲁= 白地船一厅瓦丽面 ( 2 - 1 1 ) 通常取口= 5 5 。所以圆断面变为椭圆断面九角度的大小只和蜗壳常数c 、蜗 壳和座环连接位置有关。已知c7 、0 和k 的值即可求出圆断面变为椭圆断面的临 界角九。 2 2 - 3 2 谚 办时所需的圆断面面积 通常均按面积相等的条件把圆断面变为椭圆断面。当办 办的时应先求出圆 断面面积，然后按面积相等的条件计算椭圆形的尺寸。 设圆断面的半径为b 。从式( 2 6 ) 得 b = 乓一 当n 耽时，从图( 2 3 ) 知 a j ：”旦 s 1 n 口 而 则 ：。一生 l g a 、。h d p i q 硝一盖+ 盖 ( 2 一1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 将口，值代入( 2 一1 2 ) 就可以计算岛 吩圆断面半径辟及其面积4 ，= 码2 。 2 2 3 3 计算椭圆断面面积 当采用椭圆断面时半个蜗壳的边界为d e f g k d ，见图( 2 3 ) 。为了便于计算， 现将d e f g k d 所包围的面积和三角形d k m 的面积一起计算，并用a 表示二者之 和的两倍。 从图( 2 3 ) 得 爿= 2 ( 4 + 彳4 + 彳5 + 4 6 ) 式中爿，扇形e f g 的面积 ，2 5 5 。 4 2 矾嵩； 以扇形d e o 的面积， 。 铲碱“等 一，一长方形d o g h 的面积， 爿。一三角形h g m 的面积， 爿。= 吉p ： 三一c n 一p ， 。 图2 3 蜗壳椭圆断面 则得 彳硼“等+ 孚伽：( p ，_ 办雌“嵋) ( 2 - 6 ) 从式( 2 1 6 ) 中可得 4 = ，( p 1 ，p 2 ，工) 前已得出，当以 九时所需圆断面面积4 = 巧d i 2 ，图( 2 3 ) 三角形d k m 的面 积钐= c 。s 口，所以4 = 4 + “： 2 2 3 4 求椭圆断面的p 。和p 2 1 4 从图( 2 3 ) 知 ， p l = l 七p 2 一pc t g a 取口等于5 5 。，则 n = 上+ o 3 岛 将n 值代入式( 2 1 6 ) 解之得 p ：正而万面f 1 3 4 6 三 式中 彳= 4 l + 爿2 = 巧q 2 + 向d 上c o s 5 5 。 又 三：生：1 2 2 1 。 s l n ) ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 所以4 = 即，2 + 0 5 7 4 虬 ( 2 2 2 ) ， 将a 和l 值代入式( 2 1 9 ) ，可得p ：，并可计算 p l = + o 3 p 2( 2 - 2 3 ) 口j ：+ 岛：+ 1 2 2 1 p 2 ( 2 2 4 ) s l n ) ) r = 口+ p( 2 2 5 ) 本方法进行蜗壳水力计算的具体步骤 ( 1 ) 选定蜗壳包角并确定蜗壳进口断面平均流速，用式( 2 1 ) 计算蜗壳进口断面 的半径n 。 ( 2 ) 对蜗壳进口断面用式( 2 7 ) 计算蜗壳常数c ，该值适用于其他圆断面。 ( 3 ) 给定一组办值，根据式( 2 - 9 ) 可得相应圆断面_ 、b 、口，和r ，的值。 ( 4 ) 用式( 2 一1 1 ) 计算由圆断面变成椭圆断面的临界角九。凡小于九的各断面应 按椭圆断面计算。 ( 5 ) 对庐， 九的断面，先用式( 2 1 2 ) 计算该断面为圆断面时的半径岛，再用式 ( 2 1 9 ) ( 2 2 3 ) 计算椭圆断面的岛和n ，并得到相应的口，和r ，。 ( 6 ) 由计算得到的相应尺寸即可利用g 锄b i t 对蜗壳进行几何建模。 2 3 改型的具体方法 从工程实际的角度来看只要割掉磨蚀严重的鼻端部分，再焊接上一个新的鼻 端就可以了，但需要探讨的问题是究竟割掉多少角度的壳体才是合适的，也就是 说蜗壳的型线要从什么地方开始改起。我们考虑到改型的角度如果太小就不能起 到明显减小水流速度，减少磨蚀的作用，但是割去太多又太不经济，所以必须通 过计算找到合适的角度西。根据青海古浪堤水电站蜗壳实际参数计算出的磨蚀最 严重处的水流平均速度，我们选择了一个断面的平均速度为极限速度，我们认为 超过这个极限速度将会对蜗壳产生较为严重的磨蚀，应该在蜗壳的后半段保持这 一平均速度，这样对延长蜗壳使用寿命是最有利的。因为前半段是速度矩为常数， 所以在蜗壳任意断面上吒沿径向越靠近蜗壳壁越小，要将这样的速度分布改变成 矿等于常数只能利用断面平均速度等于常数，并且维持这个常数一直到鼻端的方 法来解决。具体的做法就是利用流量沿包角呈线性分布的规律，求出。包角所在 断面处的流量，因为在矽。角度下对应的截面积可以求出，所以此断面的平均速度 可以利用流量除以相应的截面积求得。 当在庐 2 9 5 。以后都有所增加，变化幅度较大，在8 5 。 p 2 9 5 。处基 本保持不变，从8 5 。到0 。缓慢增加。但是改型后液流角在8 5 。 妒 2 9 5 。范围内比原 蜗壳略小，在o 。 妒 8 5 。较原蜗壳有所增大，使出口液流角均匀性比原蜗壳更加恶 化。尾段液流角变大的主要原因是原蜗壳隔舌的偏转角度不合理，液流角在尾段按 隔舌翼型强制偏转，导致蜗壳尾段与中间段液流角有较大偏差。原蜗壳固定导叶 选取相同的安放角是不合理的，在3 2 5 。和3 5 。处的固定导叶入口会产生一定的冲角。 改型后的蜗壳在3 5 。附近固定导叶入口液流角比改型前增加7 。左右，如果改型后蜗 壳尾段固定导叶入口安放角不改变，将会在3 5 。包角附近的固定导叶入口产生较大 冲角，所以在改造中可以根据模拟计算的结果对3 5 。包角附近的固定导叶做修型， 适当调整入口安放角以减小进口撞击，提高蜗壳水力效率。 4 3 蜗壳内部的流态分析 4 3 1 蜗壳不同截面改造前后k 和r 的对比曲线( 横坐标是蜗壳径向长度，原 点是蜗壳出口处) 5 4 盯s 4 35 3 25 2 06 7 m s 6 5 m t s 4 3 2 7 毗 。 35 图4 3 9 包角口= 3 5 。 改前切向速度 改后切向速度 改前切向速度矩 x 改后切相速度矩 改前切向速度 改后切向速度 改前切相速度矩 改后切相速度矩 1m 改前切向速度 r 改后切向速度f i 改前切相速度矩i 兰堕厦塑担垩鏖型 0 6070809ll _ l1 z m 图4 4 0 包角妒= 5 5 。 惫囊m 瓷 ) ( 气x 一# r r ii ： 091 包角口= 8 5 。 3 8 改前切向速度 一改后切向速度 改前切相速度矩 改后切相速度矩 8 焉毛 ：， 眦 旷 角 ，包 t 戋 的图 _ ￥ i _ 一 ： 一 一 一 y i 一 _ 一一 一 气 k 女 一 妥 5 4 3 m 气 - 友 女 5 6 5 5 5 4 6 5 4 居 弧 叽 m j 兰一图 一o 3 o 盯s 时s 畦 s 6 5 4 3 。6 5 r - | | 爹 0 6 6 5 6 55 5 4 5 4 35 3 25 2 6 5 6 55 5 4 5 4 3 5 3 2 5 2 06 三麓晰湓 鏖鉴割 | - 改后切向速度l 081 图4 - 4 2 包角妒= 1 1 5 。 息锚： 图4 4 3 包角妒= 1 4 5 。 改前切向速度l l 改后切向速度 改前切相速度矩 x 改后切相速度矩 xx xxx 图4 4 4 包角妒= 1 7 5 。 l2l4 m o 8l1 2l416m 图4 4 5 包角妒= 2 0 5 。 3 9 - 众 戋 - = 敷 i 5 6 5 5 5 4 5 3 6 5 4 3 瓜 弧 吼 m l 一 一8 o x 誓 x 一60 - 一 x 一 一 x 一 _ 1 x 一 鼻 一 胛，s m s m 1 s 5 6 。- 5 5l 5r 4 x 5 。 3 5 。 2l 06 - - 改前切向速度 改后切向速度 改前切相速度矩 1 改后切相速度矩 图4 4 6 包角口= 2 3 5 。 ；：篓鉴 6o 811z1 416m 图4 4 7 包角口= 2 9 5 。 毗荨一：藤 图4 - 4 8 包角口= 3 5 5 。 改后蜗壳圪和圪- r 在未改型段基本没有变化，在改型段圪和圪，较改型前 有一定的减小，改型前后圪沿半径基本成线性减小，圪- ，沿半径略有增大，但 基本可以认为是一个常数。说明改型后的蜗壳和原蜗壳的水流动特性较好的符合 设计意图。在蜗壳入口部分，也就是包角3 5 0 。附近，圪r 沿半径方向有较大增加， 2 x 一卜 x 一 l 一 l 一 _ j 8 一o 一 x 说明入口处的流动情况比较复杂，半径小的时候切向分量减小较多。 4 3 2 各截面圪平均值和吒r 平均值沿包角变化曲线 f i l ，s m 2 ，s 2 0船 5 5 8 51 1 51 4 51 7 52 0 52 3 52 6 5 船53 衢3 晒 图4 4 9 吒和圪r 沿包角的分布 如图4 4 9 所示，改型前和改型后的瓦沿入流方向缓慢增加，到3 5 。包角达到最大 然后减小，改型后的瓦在小于1 6 0 。包角以后比改型