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基于CFD的混流卧式水轮机尾水管改造
摘要
混流式水轮机是目前世界上应用最广泛的水力发电机械之一。为了提高混流式水轮机的性能，减少尾水能损失，尾水管的改造是必不可少的一个环节。本文针对一种混流卧式水轮机的尾水管进行了CFD数值模拟，研究了尾水管断面形状及其倾角对水流运动和尾水损失的影响。结果表明，将尾水管断面形状从圆形改为椭圆形，倾角从15度改为10度，可以显著减少尾水损失，提高水轮机效率。
关键词：水轮机；混流式；尾水管；CFD数值模拟
引言
混流式水轮机是目前世界上应用最广泛的水力发电机械之一，具有结构简单、运行可靠、效率高等优点。尾水管是混流水轮机的一个重要组成部分，它起着将排出的尾水引导到下游的作用，同时也是尾水能损失的主要位置。因此，尾水管的设计和改造对于提高水轮机效率、降低工程造价有着重要的意义。
本文主要研究一种混流卧式水轮机的尾水管，采用CFD数值模拟方法，分析了尾水管断面形状及其倾角对水流运动和尾水损失的影响，为水轮机尾水管的改善提供一定的指导。
数值模拟方法
在本文中，采用CFD数值模拟方法对混流卧式水轮机尾水管进行研究。数值模拟的整个过程包括建立模型、网格划分、设置边界条件、求解和后处理。本文采用ANSYSFluent软件进行建模和求解。
建模：基于实际工程数据和水轮机的设计参数，建立了一种混流卧式水轮机的三维模型，包括水轮机的进水管、转子、出水管和尾水管等组成部分。
网格划分：采用三维四面体网格划分法，对水轮机的流场进行了网格划分。划分后的网格数约为400000个。
设置边界条件：针对水轮机的各个组成部分，设置了相应的边界条件，包括进口速度、出口压力、流体类型等。
求解和后处理：采用SIMPLE算法进行连续性和动量方程的求解。在求解过程中，采用了优化网格和时间步长的方法，以保证数值分析的准确性。同时，还采用了后处理方法，进行结果分析、优化和验证。
结果分析
本文主要分析了尾水管断面形状及其倾角对水流运动和尾水损失的影响。在进行数值模拟时，考虑了尾水管断面形状为圆形、椭圆形、长方形和正方形等情况，倾角分别为5度、10度、15度、20度和25度等情况。
通过数值模拟分析，得出了以下结论：
1.尾水管断面形状对尾水流动情况的影响比较显著。在其他条件相同的情况下，尾水管断面形状为椭圆形时，尾水流动流线更加平直，流速分布更加均匀，尾水损失更小，效率相对较高。
2.尾水管倾角对尾水流动情况的影响也比较显著。在其他条件相同的情况下，尾水管倾角为10度时，尾水流动流线更加平直，流速分布更加均匀，尾水损失更小，效率相对较高。
结论
本文针对一种混流卧式水轮机的尾水管进行了CFD数值模拟，研究了尾水管断面形状及其倾角对水流运动和尾水损失的影响。结果表明，将尾水管断面形状从圆形改为椭圆形，倾角从15度改为10度，可以显著减少尾水损失，提高水轮机效率。该研究结果对于水轮机尾水管的改善具有一定的指导意义。