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本文以丹江口水电站扩机工程为工程背景,叙述了丹江口具有较好的扩机基本条件和与南水北调同时进行扩机的较佳时机,扩机可以得到较好的电量效益。主要工作是围绕三维湍流计算在水轮机中的应用,从理论上建立了水轮机尾水管的三维湍流模型,并对其进行了三维流场的计算与仿真,得出了通过三维模拟仿真,可以对水轮机尾水管运行提供良好的水流流态,减小流动过程中的水头损失,提高水轮机效率,降低尾水管模型试验的成本,具有重要的理论意义和实用价值。 具体而言,论文期间的工作包括以下主要内容: 1) 简述了丹江口水电站扩机工程的概况和当前水轮机三维流场仿真计算的发展和应用现状,提出了本文要建立水轮机尾水管湍流模型的思想。 2) 重点分析了本文所使用的弯肘形尾水管三维湍流模型的建立及求解(三维定常流动选择k-ε两方程模型,三维非定常周期性流动选择雷诺应力方程模型),此外,还阐述了文中所采用的湍流模型通用微分方程的求解方法;三维问题的离散化;网格系统及其边界条件的离散化等等。 3) 简要阐述了水轮机尾水管的两种三维造型方法的原理,即水平截面法和斜向截面法,并提出了本文建模所采用的是斜向截面法。 4) 以丹江口水电站扩机工程所选用的型号为HL220-LJ-380的水轮机尾水管为计算对象,在选定尾水管尺寸的基础上,对尾水管进行建模及三维定常及非定常周期性流动流场仿真计算,并对计算结果进行了分析,得出了丹江口水电站扩机工程水轮机尾水管的设计结论及实际工程意义。 论文的重点为: (1) 确定了斜向截面法为丹江口扩机尾水管的三维造型方法,使用Auto CAD和Pro—ENGINEER软件对其尾水管进行了建模。 (2) 对流场控制方程及三维湍流模型进行了深入的分析与研究,导出了通用微分方程,用有限体积法推导了通用微分方程的离散形式,并导出了各种离散系数的计算公式,建立了尾水管的三维湍流模型,并确定了求解方法。 (3) 针对流场计算中的困难,提出了适合流动计算的交错网格,并对流动分析计算软件FLUENT在水电站流动模拟中的应用进行了探索。利用FLUENT软件中的GAMBIT进行网格划分,采用非结构化的四面体网格,取代常用的结构化六面体网格,有效地提高了数值模拟的计算精确度。并最终对尾水管进行了三维流场仿真计算和结果分析。