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水力风机的数值模拟和设计研究

作　者: 白欢欢
导　师: 郑水英
学　校: 浙江大学
专　业: 化工过程机械
关键词: 水力风机数值计算多流场耦合水涡轮喷嘴设计方案
分类号: U664.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

随着我国船舶事业的不断发展,对船上一些辅助设备的要求越来越高。目前船用水力风机不仅要求防火、排烟,而且要求防爆、轻量化。国内对水力风机的设计大多采用常规设计方法,本文针对国内某一款高转速、大排烟量的船用便携式水力风机采用数值模拟和模型试验相结合的方法进行了研究,填补了国内便携式水力风机数值模拟研究方面的空白。本文主要进行了以下工作：(1)水力风机的CFD模型研究通过分析水力风机的结构和工作原理,对流体域进行了合理简化,并在CFD软件Fluent的前处理软件Gambit中完成了水流场和空气流场三维建模和网格划分的研究；基于Fluent的标准k-ε模型对水轮机和风机的内部流动进行了数值模拟,将数值计算结果与试验数据对比,水轮机模拟流量和试验流量的相对误差范围为0.9%-7.6%,风机试验全压和模拟全压的相对误差范围为4.7%～15.5%,基本能够满足计算要求,计算模型基本合理。(2)基于多流场耦合的水力风机的性能预测基于动网格技术,提出了一种多流场弱耦合计算方法：利用Fluent的UDF接口编程,使水力风机水流场和空气流场的同步计算,并在每一个时间步长计算结束后,通过数据文件的读写交换两个流场之间的相关数据,直至两个流场达到完全匹配的稳定状态。该方法不但可以完成水力风机整体性能预测,而且可以很方便的描述不同流场之间的相互关系,可以为水力风机的瞬态计算提供借鉴。(3)水轮机的流场数值研究和结构改进对水轮机核心部件—喷嘴和水涡轮的主要结构参数的变化引起水轮机的主要性能参数的变化情况作了分析,讨论的结构参数包括水涡轮叶片型线、叶片数量、叶片高度、喷嘴数量、喷嘴内表面形状、喷嘴斜射角和直径比。模拟结果表明：修改后的叶片型线与常规型线相比水动性能略差,但加工性能大幅提高,可取代常规型线；叶片数量可在较大范围内选择,原模型水轮机叶片数的选择合理；靠单纯的增加叶片高度不能提升水轮机的性能；喷嘴数量的增多可有效增大出力；锥形喷嘴可有效减少压力损失,增大水轮机的功率和效率；喷嘴斜射角越小,水轮机性能越好,但考虑到结构问题和加工难度,斜射角有一定的选择范围；通过增大喷嘴出口段直径和叶片高度减小直径比可明显提高水轮机的过流能力和功率。根据这些研究对水轮机的结构进行了改进,改进后的水轮机功率在进口水压为0.2MPa时增加了39.4W,增长幅度达24.7%,进口水压为0.7MPa时增加了330.2W,增长幅度高达31.7%。(4)便携式水力风机的设计研究研究了便携式水力风机的水动设计、结构设计和气动设计。当缩放系数k为0.9～1.2时,不同水轮机的功率范围为1000W-2200W,为水力风机的设计提供了更宽的功率选择范围；在保证结构强度满足的条件下,完成了水轮机和风机最大尺寸的选择；结合水轮机的性能曲线,给出了预测风机的设计风量和风压范围的方法。根据以上的研究成果,最终提出了一种水力风机设计方案,并通过设计案例进行了验证。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-10
目录  10-13
第1章绪论  13-25
  1.1 课题背景与意义  13-14
  1.2 水力风机的发展和研究现状  14-21
  1.3 水力风机的设计研究  21-23
    1.3.1 水力风机的常规设计  21
    1.3.2 水力风机的多流场耦合研究  21-22
    1.3.3 水力风机的水力和气动设计数值研究  22-23
  1.4 本文的主要工作  23-25
第2章水力风机CFD模型及验证  25-45
  2.1 流体力学理论  25-28
    2.1.1 质量守恒方程(连续方程)  25-26
    2.1.2 动量守恒方程(N-S方程)  26
    2.1.3 能量方程  26-27
    2.1.4 湍流方程  27-28
  2.2 几何模型  28-35
    2.2.1 水轮机的几何模型  28-33
    2.2.2 风机的几何模型  33-35
  2.3 网格划分  35-38
    2.3.1 水轮机的网格  35-37
    2.3.2 风机的网格  37-38
  2.4 边界条件和求解方法  38-39
  2.5 性能参数  39-40
  2.6 模型试验  40-42
  2.7 计算模型验证  42-44
  2.8 小结  44-45
第3章基于多流场耦合的水力风机的性能预测  45-57
  3.1 多流场弱耦合方法  45-50
    3.1.1 旋转区域网格更新  45-47
    3.1.2 边界条件更新  47-48
    3.1.3 机械传动关系描述  48-50
  3.2 数值模拟流程  50-52
  3.3 方法验证  52-53
  3.4 瞬态计算  53-55
  3.5 小结  55-57
第4章水轮机关键结构参数的影响  57-79
  4.1 水轮机的计算工况  57-59
  4.2 水涡轮和喷嘴的结构参数  59-60
  4.3 水涡轮设计  60-67
    4.3.1 叶片型线对水轮机性能的影响分析  60-62
    4.3.2 叶片数量对水轮机性能的影响分析  62-65
    4.3.3 叶片高度对水轮机性能的影响分析  65-67
  4.4 喷嘴设计  67-71
    4.4.1 喷嘴数目对水轮机性能的影响  67-68
    4.4.2 喷嘴内表面形状对水轮机性能的影响  68-71
  4.5 喷嘴与水涡轮的配合特性研究  71-76
    4.5.1 斜射角对水轮机性能的影响  72-75
    4.5.2 直径比对水轮机性能的影响  75-76
  4.6 水轮机的改进  76-78
    4.6.1 改进后的模型  76-77
    4.6.2 模拟计算结果  77-78
  4.7 小结  78-79
第5章便携式水力风机的设计研究  79-93
  5.1 水力风机水力设计  79-80
  5.2 水力风机结构设计  80-82
  5.3 水力风机气动设计  82-86
  5.4 水力风机的设计程序  86-87
  5.5 设计算例  87-91
  5.6 小结  91-93
第6章工作总结与展望  93-97
  6.1 工作总结  93-94
  6.2 展望  94-97
参考文献  97-101
作者简历及在学期间所取得的科研成果  101

水力风机的数值模拟和设计研究

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