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汽轮发电机环形气隙内流动换热的数值模拟研究

作　者: 赵旭峰
导　师: 王坤
学　校: 华中科技大学
专　业: 热能工程
关键词: 汽轮发电机通风冷却系统流动传热数值模拟泰勒-库特流
分类号: TM311
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

大型汽轮发电机在运行的过程中，其内部由于电场、磁场的热效应以及流场的摩擦损耗会产生大量的热。这些热量如果不能及时排出，会使其内部温升过高，威胁运行安全。为保证汽轮发电机的安全、稳定运行，必须将各部件的温度都控制在合理的范围之内。因此，对汽轮发电机通风冷却系统内流动传热情况进行研究，提高通风冷却的效率，保证发电机在允许的温度范围内运行，具有十分重要的意义。计算流体动力学（CFD）方法充分利用计算流体力学和数值传热学的基本理论，可以有效的对流体的流动传热过程进行数值模拟。本文使用CFD的方法对汽轮发电机内的流动传热进行研究，弥补了传统计算方法由于大量的物理简化带来的计算不准确等缺点。本文采用由简到繁的步骤，首先对发电机气隙简化模型—同心旋转圆柱体间环形气隙内流体对流换热情况进行数值模拟，得到了不同泰勒数Ta下流场的速度分布、温度分布和热流密度分布。将模拟得出的平均努赛尔数Nu与经验公式的计算值进行了对比，误差在合理的范围之内，证明了数值模拟的有效性。为研究汽轮发电机气隙壁面上沟槽对流场的影响，本文建立带轴向沟槽的气隙模型进行模拟分析，并对壁面的摩擦系数及摩擦损耗进行了估算和验证。最后，考虑到汽轮发电机气隙和定子径向通风沟之间的流动传热相互连通，相互影响，本文对气隙与定子径向通风沟合并建立模型进行数值模拟，得到了冷却空气在气隙及定子径向通风沟内流场和温度场的分布，并对其流动传热特性进行了详细的分析。通过本课题的研究，对汽轮发电机定子、转子间环形气隙及定子径向通风沟内的流动传热有了更加深入的认识，弥补了使用风路系统网格方法以及将单独对径向通风沟进行模拟计算的缺点，为汽轮发电机通风冷却系统的优化，提高其通风冷却效果，保障其运行安全性和稳定性提供一定的建议和参考。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 研究背景及意义  9-10
  1.2 国内外相关研究概况  10-14
  1.3 本课题研究的主要内容  14-15
2 汽轮发电机内流动换热 CFD 数值模拟理论基础  15-21
  2.1 CFD 求解的基本过程  15
  2.2 流体动力学控制方程  15-16
  2.3 网格及其生成方法概述  16-18
  2.4 边界条件  18-20
  2.5 本章小结  20-21
3 环形气隙流动（泰勒-库特流）模拟  21-29
  3.1 物理模型及计算区域  21-23
  3.2 边界条件及计算方法  23
  3.3 环形气隙内流动换热特性的计算结果与分析  23-28
  3.4 本章小结  28-29
4 带轴向凹槽环形气隙流动模拟  29-39
  4.1 计算区域及边界条件  29-31
  4.2 模型计算结果分析  31-33
  4.3 旋转壁面摩擦阻力损耗的估算  33-37
  4.4 本章小结  37-39
5 复杂结构和进出口条件下的环形气隙及径向通风流动模拟  39-61
  5.1 汽轮发电机通风冷却原理简述  40-41
  5.2 几何模型与网格划分  41-44
  5.3 边界条件  44-46
  5.4 计算结果与分析  46-60
  5.5 本章小结  60-61
6 总结与展望  61-63
  6.1 研究工作总结  61
  6.2 本文主要创新点  61-62
  6.3 课题展望  62-63
致谢  63-64
参考文献  64-69
附录攻读硕士学位期间参与的科研项目与发表论文  69

汽轮发电机环形气隙内流动换热的数值模拟研究

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