水轮机混凝土蜗壳内部液固两相流动数值模拟.pdf

第 3 5卷第 5期 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ) V o 1 ． 3 5 N o ． 5 2 0 1 4年 l 0月 J o u r n a l o f N o rt h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) O c t ．2 0 1 4 DOI ： 1 0． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 2—5 6 3 4 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 1 6 水轮 机混凝土蜗 壳 内部 液 固两相流动数值 模拟 王 为术 ，陈 刚 ，张 斌 ， 路 统 ( 华 北水利 水电大学 热能工程研 究中心 ， 河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ) 摘要 ： 针对长期运行 于含沙水流的水轮机混凝 土蜗 壳 ， 对蜗壳 内部单相及 液固两相 流动规律进 行数值模 拟 ， 研 究 了运行负荷 、 粒径大小及颗粒浓度对 蜗壳内部流 动规律 的影 响． 结 果表 明 ： 不 同负荷 下蜗壳 内部速 度场 和 压力场分布相似 ， 仅在数值上发生 变化 ； 在进 口颗粒体 积分数不变时 ， 随粒径 的增加 ， 沉降在蜗 壳底部颗 粒 浓度增加 ， 蜗壳底部颗粒体积分数 最高达到 1 6 ． 8 3 ％ ； 在相同粒径下随颗粒进 口体积 分数 增加 ， 蜗壳壁 面颗 粒体积分数增加 ， 对蜗壳造成 的磨 损较为严重 ， 颗 粒与壁面的碰撞程度增加 ， 较易引起水轮机 的空蚀． 关键 词 ： 水轮机 ； 混凝土蜗壳 ； 液固两相流 ； 数值 模拟 中图分类号 ： T V 7 3 1 文献标识码 ： A 文章 编号 ： 1 0 0 2— 5 6 3 4 ( 2 0 1 4 ) 0 5— 0 0 6 5— 0 4 蜗壳是水轮机 中的重要过流部件 ， 设计合理的 蜗壳能为固定导叶和活动导叶提供满足环量要求和 尽 可 能 均 匀 、 对 称 的 来 流 条 件 ， 以 提 高 水 轮 机 效 率 ． 研究蜗壳 内部三维流动对改善水轮机 的性能 有 着 重要 的作 用 ． 对蜗壳 的研究 一 般 以单 相 水 为研 究介 质 ， 对 液 固两相 流动 的研 究 鲜 见 ． 水 轮机 过 流 部 件 冲蚀 磨 损 是 含沙 河流 机组 最 严 重 的 问题 ， 水 流 含 沙 量 和 流 速 的影 响规 律 对 水 轮 机 磨 蚀 的 防 治 有 着 重 要 的 意 义 ． 沙水 过流 表 面 冲刷 形 成 浅槽 ， 深 裂 缝 ， 甚 至 打 断 叶片 ， 破 坏 水轮 机 ， 严 重 缩 短 机 组 寿 期 ． 我 国是 多 泥沙河流 国家 ， 4 0 ％以上的水轮机组磨蚀严重， 造成 了 巨大 的损失 ． 目前 多 采 用 数值 模 拟 方 法 对 机 组 的 冲蚀进 行预 测 。 ， 研 究 结 果 为 泥 沙 磨 损 防治 提 供 了依据 ． 笔 者采 用 C F X 1 4 ． 0软件 对 水 轮 机混 凝 土 蜗壳 内液 固两 相 流 动进 行 了数 值 模 拟 研 究 ， 研 究 结 果对 水轮 机 的磨损 防治有 一定 的参 考 意义 ． 1 控制方程与数值方法 1 ． 1 控 制方 程 采用 欧 拉 多 相 流 模 型 建 立 液 固 两 相 流 的 流 动方 程 ． 液相 连续 性方 程 为 十 (咖 )：0 ( 1 ) O t O x ．、～‘ 、 固相连续性方程为 + 去 ( 0 ( 2 ) 液相 的动 量方 程为 蠹 ( + 蠹 ( 一 PL r兰 毒 誊 + O x i ) 卜 一 I + 一 旦 咖 s( U 一V i )+ 咖 g ( 3 ) Pi 毒 ( 咖 ) + 蠹 ( 咖 一 篝 毒 警 + 一 咖 ( 一 )+ q b ( 4 ) 固相 的动 量方 程 为 啬 ( 6 s ) + 蠹( 咖 s ) = 一 Ps咖 簧 + 去 [ ( 誊 + 豢 ) ] 一 一 一 咖 s s 【 【 + J J 一 收 稿 日期 ： 2 01 4—0 8—3 l 基金项 目： 河南省科技攻关项 目( 1 4 2 1 0 2 2 1 0 4 5 9 ) ； 河南省 高校创新 人才支持计划 ( 2 0 1 2 H A S T I T 0 1 8 ) 作者简 介 ： 王为术 ( 1 9 7 2 一) ， 男 ， 重庆 开县人 ， 教授 ， 博士 ， 主要 从事多相流动和传热方面 的研究 ．