冲击式水轮机喷嘴内部固液两相流研究

学术论文 2016-08-25 15:47:57
  我国有着相当的丰富的水力资源,并且水能作为一种清洁的能源,对环境产生的污染很小。对于水力资源的开发,目前的现状是低水头的水力资源已快开发殆尽,而高水头水力资源却急需开发。因此,对高水头冲击式水轮机的重要部件喷嘴进行深入分析研究,显得十分必要。 
  研究泥沙颗粒对过流部件的冲蚀磨损研究方面,不少学者已经做了许多工作。在理论研究泥沙冲蚀磨损上,文献[1-3]研究了泥沙颗粒对水力机械过流部件的冲蚀磨损理论,分析了流场中泥沙颗粒的运动轨迹和磨损控制方程。这对后人在进行泥沙颗粒两相流研究时提供了的理论支撑。在数值模拟研究上,不少学者都做出了显著的贡献。文献[4-7]分别对冲击式水轮机的冲击磨损情况做出各自的分析研究。 
  结合我国西南地区的特点:河流中泥沙颗粒主要是石英砂,且河流中泥沙颗粒的体积分数不高,一般在10%以下。为此,选用低浓度固液两相流欧拉-拉格朗日混合湍流模型,分析泥沙颗粒对喷嘴的冲蚀磨损特性。 
  1 数学模型和数值模拟方法 
  1.1 模型建立 
  利用三维建模软件UG建立了冲击式水轮机喷嘴的三维数学模型。并使用专业网格划分软件ICEM CFD对模型进行网格划分,并对喷嘴出口处网格进行加密处理,最终得到了以四面体为核心的非结构化网格。 
  1.2 计算方法 
  根据喷嘴的实体特征,选用离散模型对泥沙颗粒在喷嘴内的运动特性进行研究。首先对连续相选用标准湍流模型,使用SIMPLE算法对连续相进行连续迭代计算,达到收敛后,得到了连续相的水流场。再次加入离散相-泥沙颗粒的运动方程。由于需要得到泥沙颗粒在水流中的运动轨迹,因此,算法上需要采用COUPLE算法对固液两相流进行耦合计算,最终收敛得到泥沙颗粒在水流场中的运动特性。 
  泥沙颗粒在运动时,会与固壁面产生碰撞磨损。也就是喷嘴内壁面和喷针发生碰撞磨损。冲蚀磨损定义为单位时间内,壁面磨损掉的材料质量与壁面磨损体积之比。在壁面和颗粒材料确定的情况下,磨损率取决于颗粒的冲击速度和