混流式水轮机特性的数值模拟分析

前言

第1章 绪论 1

1.1 混流式水轮机概述 1

1.2 混流式水轮机的应用与研究现状 1

1.2.1 应用现状 1

1.2.2 研究现状 2

1.3 水轮机数值模拟 11

第2章 数值模拟计算理论 14

2.1 计算流体动力学概述 14

2.2 流体流动控制方程 15

2.2.1 连续方程 15

2.2.2 动量方程 16

2.2.3 能量方程 17

2.3 湍流模型 18

2.3.1 标准k-ε模型 18

2.3.2 重整化群k-ε模型 19

2.3.3 剪切压力传输模型 19

2.4 有限元理论 19

2.5 模态分析理论 20

2.6 流固耦合数学模型 21

2.7 尾水管涡带基础理论 21

2.8 固液两相流控制方程 22

2.9 飞逸工况控制方程 22

2.10 空化性能预估方程 23

2.11 本章小结 24

第3章 HL160-LJ-25型水轮机内部流动数值分析与叶片优化 25

3.1 基本参数 25

3.2 过流部件几何模型的建立 25

3.3 计算域网格划分 27

3.3.1 网格划分方法 27

3.3.2 网格划分过程 28

3.3.3 网格质量检查及提高 29

3.3.4 流动计算域网格模型 30

3.4 内部流动数值计算与分析 32

3.4.1 内部流动数值计算概述 32

3.4.2 内部流动数值计算 32

3.4.3 全流道计算结果分析 34

3.5 转轮结构静力分析 46

3.5.1 网格划分与载荷施加 46

3.5.2 静力计算及分析 48

3.6 转轮叶片的优化 51

3.6.1 设计工况下叶片的水力特性优化 51

3.6.2 叶片的适应性计算 52

3.6.3 水轮机的能量性能计算 54

3.7 本章小结 57

第4章 基于双向流固耦合的HL259型水轮机转轮特性分析 58

4.1 全流道模型的建立及网格划分 58

4.1.1 转轮域模型 58

4.1.2 蜗壳流体域建模及网格划分 60

4.1.3 导水机构模型建立与网格划分 62

4.1.4 尾水管流体域建模 63

4.1.5 水轮机内部流体各计算域及其网格 64

4.2 转轮特性数值分析的两种计算方法 65

4.2.1 两种数值算法简介 65

4.2.2 流固耦合数据传递模型的建立 65

4.2.3 非定常流场模拟及流固耦合计算 66

4.2.4 采用两种数值模拟方法计算转轮特性的结果分析 69

4.3 基于双向流固耦合算法的转轮特性分析 71

4.3.1 流场分布情况分析 71

4.3.2 转轮叶片力学特性分析 74

4.3.3 两种数值计算方法的转矩比较与分析 79

4.4 本章小结 79

第5章 HL240型水轮机固液两相流动与飞逸工况特性分析 81

5.1 模型建立 81

5.1.1 建立三维实体模型 81

5.1.2 网格划分 83

5.2 固液两相流动模拟与磨损预估 85

5.2.1 固液两相流模拟计算 85

5.2.2 能量特性分析 86

5.2.3 过流部件磨损分析 88

5.3 飞逸工况特性分析 95

5.3.1 飞逸工况模拟实验 95

5.3.2 转轮叶片特性分析 96

5.3.3 尾水管动力特性分析 102

5.4 本章小结 106

第6章 HLA520型水轮机长短叶片转轮性能分析 107

6.1 模型建立与网格划分 107

6.1.1 基本设计参数 107

6.1.2 计算域模型 107

6.2 能量特性计算与分析 113

6.2.1 数值计算 113

6.2.2 能量特性分析 114

6.3 空化特性分析 125

6.3.1 空化现象概述 125

6.3.2 水轮机中空化类型 125

6.3.3 水轮机中空化的危害 126

6.3.4 空化和空蚀性能分析 126

6.4 本章小结 135

参考文献 136 2100433B

本书以混流式水轮机为主要研究对象，采用数值模拟的方法对不同型号的水轮机进行了建模和性能分析，介绍了作者多年来的研究成果，主要内容包括：①数值模拟的计算理论，主要有流体流动控制方程、湍流模型、有限元理论、模态分析理论、流固耦合数学模型、尾水管涡带基础理论、固液两相流控制方程、飞逸工况控制方程、空化性能预估方程等；②HL160-LJ-25型水轮机内部流动数值分析与叶片优化，主要对其内部流动进行了数值计算与分析，对转轮结构进行了静力分析并对叶片进行了优化；③基于双向流固耦合的HL259型水轮机转轮特性分析，对进行流场计算与进行流固耦合计算的两种计算方法进行了充分的比较；④HL240型水轮机固液两相流动与飞逸工况特性分析，着重分析了在固液两相流动状态下轮机过流部件的磨损情况和外特性情况，同时计算了6个不同开度下的水轮机飞逸工况的内部流动情况；⑤HLA520型水轮机长短叶片转轮性能分析，采用数值模拟方法对HLA520型水轮机长短叶片混流式水轮机全流道进行了计算，分析了该水轮机的能量特性和空化特性。

《玻璃材料破坏过程的数值模拟与分析》利用断裂力学的研究方法，借助于统计学和现有的数值计算方法，以实验结果为基础来建立数值模型，进行了玻璃材料双向应力状态下断裂失效过程的数值模拟。研究目的即是要搞清玻璃材料在双向应力下的断裂和裂纹扩展究竟受不受平行于裂纹的应力影响。如受到平行于裂纹的应力影响，应变能释放率G、应力强度因子K、J积分和裂纹张开位移δ四个断裂参数在单轴应力下的等效关系在双轴应力下是否还成立"_blank" href="/item/脆性材料/5329116" data-lemmaid="5329116">脆性材料在双轴应力状态下的裂纹扩展由什么参数决定"sup--normal" data-sup="1" data-ctrmap=":1,"> [1]

全书共分6章，　内容包括对玻璃材料在双向应力和单向应力下裂纹驱动力参数的关系和差异进行了数值模拟及理论研究，得出在双向载荷下，传统的K-G-J-δ等效关系不再成立的结论。证明了其中的两个参数G和δ与双向应力有关，　而另外两个参数K和J与双向应力无关；裂纹张开位移δ更适宜作为处于双向应力状态下材料断裂的评价标准。完成了玻璃材料在单向及双向平面应力状态下的阻力特性研究，并与相关的实验结果取得了较好的一致，表明了数值计算的可靠性。直接观察和演示了玻璃材料的失效全过程及裂纹的启裂、失稳扩展全过程，解决了玻璃材料在双向应力下的断裂和裂纹扩展究竟受不受平行于裂纹的应力影响，及如何影响等问题；进一步研究了在双向应力比λ不同时，玻璃材料断裂力学参数应力强度因子Kic及裂纹张开位移δ的变化规律，进一步证明了双向应力对玻璃断裂及裂纹扩展的影响，也进一步验证了玻璃类脆性材料在双轴应力下的断裂是由裂纹张开位移δ决定的；对单向拉伸下含不同倾斜角度裂纹玻璃材料失效情况进行了数值模拟，重点研究了含不同裂纹角倾斜直通裂纹的玻璃材料试样在单向拉伸下的复合应力效应。证明了在这种情况下裂纹尖端存在的三种类型应力：KI、KII及平行应力对裂纹扩展有不同的作用；研究了玻璃材料的慢裂纹扩展和扩展速度所受双向应力的影响，并讨论这种影响的机理和作用。通过声发射特性的数值模拟得到玻璃类脆性材料在单向及双向应力状态下的亚临界裂纹扩展长度一荷载步曲线，得出平行干裂纹的拉应力对裂纹扩展有一定程度的阻碍作用，而平行于裂纹的压应力对裂纹有驱动效果的结论。在上述研究的基础上，运用研究结果验证了玻璃材料在双轴应力下应用应变断裂准则的可行性。2100433B