随着叶片式水力机械向大型化方向发展,工程上对水轮机的能量特性、空化性能和稳定性又提出了更高的要求。从国外在高性能水轮机设计上所取得的成就来看,采用现代流动计算技术获得准确详细的内部流动是成功设计高性能水轮机的重要保证。因此,充分了解和掌握水轮机各过流部件的流动特性,对于正确预测水轮机的性能及提高设计水平具有重要的意义。 水轮机内部真实的流动是不稳定的、三维粘性不可压缩湍流。本文在三维时均N-S方程的基础上,运用标准k-ε模型和RNGk-ε模型对一模型混流式水轮机引水元件、转轮和尾水管进行了单独计算和联合计算,数值模拟了水轮机各通流元件内部三维湍流流场,并根据流场计算结果对水轮机的能量性能和空化性能进行了预测。 通过对蜗壳、座环和导叶进行联合计算,得到了引水元件内部合理的压力和流速分布,得出速度矩在整个蜗壳内部的分布与v_uR=常数的设计理论相符、蜗壳设计中蜗壳山口径向述度沿周向均布的假设是合理的结论,并根据座环支柱进口水流方向以及导叶出口水流速度及环量沿周向的不均匀分布,为座环的水力设计和转轮三维湍流计算提出参考意见。 根据引水元件内部流场计算结果,本文还对引水元件水力损失进行了计算与分析。研究表明,随着网格密度的增加,计算精度提高;对叶片附近进行细密的网格划分,可明显提高计算精度;进口边界条件中参数的正确设置是非常重要的:在合适的网格密度、局部网格加密和计算参数的正确设置下,采用压力出口边界条件计算的引水元件水力损失与实际较为吻合;计算域出口位置对引水元件水力损失的计算影响较小。 通过模型水轮机转轮单流道三维定常湍流计算和转轮与尾水管三维定常湍流联合计算的结果对比可见,两者都可以得到水轮机通流元件内部的流动细节,但从转轮效率的计算结果可以看到,单流道计算结果更为合理,考虑引水元件和转轮水力损失后的水轮机效率与实测值更为接近。本文在现有计算资源条件下,针对一模型水轮机,提出了一种将多部件联合计算与转轮单流道计算相结合的方法,对水轮机能量性能进行了预测,本模型水轮机计算效率的最大相对误差仅为为0.9%。该方法现实可行且精度较高,对水轮机能量性能预测有一定的参考价值。 本文根据模型水轮机转轮单流道三维定常湍流数值模拟结果,用理论计算的方法得到了水轮机转轮的初生空化系数,并与实测的水轮机临界空化系数进行了比较。由计算结果可见,计算值和实测值的变化规律相同,数值大小符合实际。 本文所取得的研究成果对优化混流式水轮机的设计,正确进行水轮机通流元件的数值计算,正确预测水轮机的水力性能具有重要的指导意义,具有广泛的工程应用前景。