近年来,流体动力学数值求解技术和计算机软硬件技术的发展,水力机械内部三维湍流场的研究有了长足的进展,我国在反击式水轮机方面的研究积累了丰富的经验,某些领域达到甚至超过国际先进水平,而在冲击式水轮机方面却远远落后于国外先进厂家。随着国家西部大开发战略的实施,为了开发西部高水头的水力资源,筹建许多冲击式水轮机,因此对水斗式水轮机的研究显得迫在眉睫。 本文结合四川冶勒电站6喷嘴水斗式水轮机配水环管与喷嘴,建立时均N—S方程及标准κ-ε湍流模型;采用有限体积法、一阶迎风格式、全隐式时间积分方案对控制方程进行离散化处理;并运用SIMPLEC算法求解,对大型水斗式水轮机配水环管与喷嘴进行了三维定常不可压湍流模拟研究,得到以下成果: 1、研究了不同流量配水环管的能量损失规律。在额定流量下,水流经六个出水口的水头损失呈逐渐加大的趋势(6#出口除外),到5#出水口时达到最大,为3.43m,流经6#出水口时损失下降约0.48m。配水环管平均损失随着流量的减少而减少,0.5倍额定流量时的损失约为额定流量时的24.4%,0.75倍额定流量时的损失约为额定流量时的50%。 根据电站的实际工作条件,模拟配水环管六个出水口的不同组合方案,通过比较,当只开启单出口时,1#出水口损失最小,为0.35m;当只开启两个出水口时,1#、4#出水口组合损失最小,为0.44m,当开启四个出水口时,1#、2#,4#、5#出水口组合最小,为0.9m。 2、研究不同水头下的喷嘴能量特性和流量特性,得到喷嘴内水流随开度和水头变化的规律曲线。针对喷针头和喷管出口内表面,得到不同开度和水头下的压力分布曲线,预测空蚀区域随开度和水头变化的规律。 改变喷管头锥角α得到三种喷嘴,在能量、流量、压力分布方面进行比较,得到喷管头锥角α为75°的喷嘴在综合性能上是最优的,并提出根据喷嘴过流断面面积变化规律来优化喷嘴结构。 3、研究全流道的流量特性和能量特性,与配水环管、喷嘴单独模拟结果进行比较,配水环管部分效率相差不到0.2%,喷嘴部分效率相差约2%。证明在节省计算资源的前提下,各个部分单独模拟可以满足结果可靠性的需要。