冲击式水轮机喷嘴射流的CFD技术.pdfVIP

第21 卷第1期 水　电　能　源　科　学 V o l. 21 N o. 1 　 2 0 0 3 年 3 月 W ater R esources and Pow er M ar. 2 0 0 3 文章编号: (2003) 冲击式水轮机喷嘴射流的C FD 技术 1 1 1 2 李贵斌 　韦彩新 　刘　洁 　许　萍 ( 1. 华中科技大学 能源与动力工程学院, 湖北 武汉 430074; 2. 湖北省电力公司, 湖北 武汉 430017) 摘要: 为了研究喷嘴特性对冲击式水轮机性能的影响, 在试验的基础上, 采用 CFD 技术对喷嘴自由射流进行 多相流的数值模拟。研究结果表明: 在相同工况下, 不同形状的喷嘴所产生的射流能量特性有明显差异。 关键词: 冲击式水轮机; 自由射流; 多相流; 数值模拟 中图分类号: T K735 文献标识码: A 　　在高水头资源比较丰富的山区, 采用冲击式 段长度设为进 口直径的 4 倍, 自由射流区域控制 水轮机相对于混流式水轮机具有更大的优势。湖 体的直径为喷嘴出口直径的 5 倍、长度为出口直 北省巴东虎牙河水电厂原水轮发电机组单机设计 径的7 倍。由于喷嘴出口的自由射流为水和空气 水头 272 , 设计流量 0. 96 3, 实际出力 1 800 ( m m s 的两相流动, 因此采用多相流动 V o lum e of F lu kW , 效率仅为 71 % , 为了提高经济效益, 对转轮 id , 简称为VO F ) 法。总有效网格数约为11 000个, 和喷嘴进行了更换。笔者对喷嘴部分进行了专门 具体网格和计算区域的划分如图2 所示。 研究。目前, 性能比较优良的冲击式水轮机的效率 可达 90 % 左右, 喷嘴的损失系数为 0. 04～ 0. 06。 由此可见, 喷嘴的工作性能对于水轮机具有非常 重要的意义。而喷嘴性能的好坏, 由射流状况的好 坏来决定。喷嘴形状不同, 射流状况也会改变, 状 况比较好的射流与水斗之间才会有比较好的配 合, 整个水轮机的性能也会得到提高。 以下对原喷嘴和改造后喷嘴, 在相同设计工 图 1　改造前后的喷嘴和喷针形状 ( ) 况条件 两者开度均为 120 mm 下进行比较。基 于标准的 — 紊流模型对喷嘴出口自由射流的 k 流动进行多相流的数值模拟, 并依据二维紊流场 的计算结果来进行分析。 1　数值模拟 图2　喷嘴射流紊流场的网格和计算区域划分 1. 1　研究对象 1. 3　边界条件 图 1 表示改造前后喷嘴和喷针形状, 两者进 进口相对压力为 2 582. 8 kPa , 出口相对压力 口直径均为 500 mm , 出口直径分别为 151mm 和 为零, 控制体空气部分外边界相对压力也为零。 154 mm , 喷针尖的锥角分别为 45 °和 50 °, 喷嘴锥 角分别为 63 °和 84 °, 喷嘴内球形半径分别为 700 2　流场计算结果的比较分析 mm 和 323 mm 。 1. 2　数值模拟