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高比转速轴流式水轮机CFD优化及流动特性研究

2.6万字 78页 原创作品，已通过查重系统

摘要
现如今，随着计算机的流体力学数值模拟CFD技术的逐渐发展，使得能够做到解答复杂的三维粘性模型更加方便。尤其显示于水轮机的性能模拟和优化中能够使用计算流体力学CFD技术来对水轮机的内部流动特性进行模拟从而能够有效的研究水轮机内部各个过流部件以及整体的各项指标。
如今，本实验所涉及的轴流式水轮机主要能够用于中低水头，大流量的水电站，可以起到有效合理的利用水利资源的做用。作为未来发展的一种趋势，高比转速轴流式水轮机就目前而言的确仍然存在许多需要改进的地方和亟待解决的问题。
本文采取计算流体力学CFD的方法对本实验高比转速轴流式水轮机进行了数值模拟，根据CFD计算的计算结果对其内部过流部件和流道等进行一定的优化设计，研究流动特性。
主要研究内容和成果如下：
（1） 根据原始资料的介绍，建立了该轴流式水轮机的三维模型，并进行数值模拟，研究其流动特性。
（2） 根据数值模拟和相似原理，确定设计水头下的最优转速。
（3） 根据理论与数值模拟分析，确定最佳转轮轮毂比，并分析不同翼型及叶片个数对转轮性能的影响。设计出最佳转轮为4叶片优化后的转轮，结果证明其在效率，出力以及压力分布上均比较优越。
（4） 用数值模拟的方法，分别使用优化的不同导叶翼型及个数，查看对水轮机性能的影响，得出了最佳的水轮机导叶。研究表明，在选用最优导叶翼型的基础上选择导叶个数为24时的水轮机效率最高。
（5） 保持模型水轮机处于最优转速，使不同叶片相对安放角对应不同导叶相对转角，模拟水头在7m~16m变化时水轮机的流量及出力变化，并用AutoCAD绘制其不同叶片安装角时装置的运转特性曲线，并以此基础得出装置叶片的最优安放角。


关键词：轴流式水轮机；高比转速；数值模拟；优化设计；流动特性