基于梯形转叶螺旋流消能装置消能过程的数值模拟研究

作     者：张进山 

作者单位：太原理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：延耀兴

授予年度：2015年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：螺旋流 消能系数 矢量图 数值模拟 消能机理 

摘      要：在长距离高水头有压输水过程中，能量过剩会带来一系列工程建设问题。因此如何能经济、有效地消能成为一个亟待解决的问题。随着水利科研工作者对有压输水过剩水头消能方式的深入研究，在管道内安装螺旋消能装置已成为一种被广泛采纳的消能方式，并且被实际应用到工业，农业以及生活用水方面。但由于液体的螺旋流流动属于非典型的线性瞬态流动，流动过程中的螺旋流结构特性非常复杂，在条件具备的情况下还会产生涡流。螺旋流消能的本质就是将机械能尽可能多的转换为热能而消散，最终达到减少过剩能量的目的。在一般的试验装置研究过程中，测量仪器精度的不足、实验方法的限制、试验器材的相关物理参数的不确定都会导致试验结果的差异性，甚至出现相互矛盾的结果。为了使螺旋流消能的相关理论更具有普遍性和实用性。本文将在梯形转叶螺旋流消能装置的试验研究基础上对其进行数值计算模拟的，通过数值模拟有助于了解消能装置具体的消能过程的研究。 梯形转叶螺旋流消能装置的物理模型是在FLUENT软件前处理器GAMBIT中三维笛卡尔坐标系下建立的。在求解计算时应选取SIMPLE流场数值计算法、应用有限体积法来实现控制方程离散化，紊流计算模型选取k-ε模型，边界条件选择有压进口、有压出口，近壁面采用壁面函数法来处理，为了验证对梯形转叶螺旋流消能装置的数值模拟计算是可行的，所以在模拟模型设置的测压点的位置与实验研究装置设置一样，即分别设置7个测压点。通过FLUENT软件的模拟计算后，可得到：所设测压点压力数据;不同分段的流线图、速度矢量图以及温度变化示意图;不同过水断面的压力、湍流强度和轴向、径向以及切向速度分布数据等等,之后再使用TecPlot、Excel等软件对数值模拟计算所得各项参数的数据进行更进一步的处理。 通过对梯形转叶螺旋流消能装置的数值模拟计算结果的分析与深入研究，其研究结果表明：（1）梯形转叶螺旋流消能装置的结构设计是科学合理的;（2）装置消能的主力区在梯形转叶孔板组合后;（3）数值模拟显示的的消能机理与试验研究是吻合的;（4）装置内产生的螺旋流是具有衰减性的三维螺旋型旋转流动的特点，切向速度变化规律遵循指数方程;（5）过剩的能量转换为内能，内能导致流体的温度升高，最后以热能的方式消散，符合理论解释;（6）过水断面面积变化时，流体产生的漩涡可以消耗大量的能量;（7）在相同的流量、扭转角度一定时，在孔板前管壁所受的压力会随开口角度的增大而减小;(8)在相同的流量、扭转角度一定时，在孔板前管壁所受的压力会随开口角度的增大而减小;（9）管道面积增大后，流体出现二次漩涡。