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冲击式水轮机喷嘴CFD优化设计HYDRAULIC OPTIMIZATION DESIGN WITH CFD ANALYSIS METHOD ABOUT THE NOZZEL OF PELTON TURBINE摘要我国是个水资源丰富的国家。
作为利用水资源的能量转换设备水轮机，主要分为两种类型，一种是反击式水轮机，另一种是冲击式水轮机。
国内反击式水轮机已经发展到相当高的水平，但对冲击式水轮机的研究尚显不够，本课题就其部件之一喷嘴的能量指标而对喷嘴进行了数值模拟。
冲击式水轮机具有高水头没有汽蚀条件条件的限制,调节系统比较简单,运行操作方便等优点，广泛应用于高水头水电站中。
本文分析了冲击式水轮机的工作原理、能量损失和参数选择，其中着重分析了喷嘴的结构、工作原理和影响因素；分别介绍了流场分析软件Fluent的计算原理和软件结构，其中重点介绍了其计算原理，从计算流体力学的角度，再现了CFD软件的工作过程及其优缺点；通过以上两方面的理解，为喷嘴的数值模拟的进一步工作打下基础。
根据喷嘴的结构，编写小程序对喷嘴进行了几何建模;并根据喷嘴的工作原理和Fluent的流场计算原理，对喷嘴进行了数学建模;然后根据其几何模型和数学模型对喷嘴进行了数值模拟。
在计算模型选择上，本课题选择二维轴对称粘性两相流模型；在边界条件的给定上，借鉴了哈尔滨电机厂的实验数据。
针对喷嘴两相流后处理编写了后处理程序，应用于喷嘴效率的计算，并通过与传统的方法对比发现，编写的后处理程序计算的喷嘴效率精度明显提高。
通过对喷嘴效率的对比计算发现，喷嘴角度在90度附近达到一个极大值。
对喷针表面静压力分析发现，其静压力并不是沿喷针表面平稳下降的，而在喷针头达到一个极大值，并由此受到启发，分析了喷嘴效率随压力相对行程的关系。
最后，总结分析了喷嘴流量计算公式，改进了流量系数，得出流量系数是喷针相对行程的三次函数。
关键字：喷嘴效率；流场计算；喷嘴流量公式；喷嘴优化设计AbstractIt is abundance in water resource in our homeland. Water turbine that is a energy conversion device of water resource, is mainly include two style. One is impulse reaction turbine, the other is Pelton turbine. It is high level developing of impulse reaction turbine in our country. But it is not enough in Pelton turbine. This paper is mainly about simulation of nozzle which is one part of Pelton turbine.Pelton turbine that has the merit of on vapor erode restrict in high water head, simpleness in adjust system, convenience in running etc. has used generally in high level water and electricity sate.It analyses work principle, energy lost and parameter choice of Pelton turbine. It mainly analyses structure, work principle, and influence factor of nozzle. It introduce compute principle and structure of CFD software Fluent. It mainly introduce the compute principle, according to the angle of CFD, reappearance the work process and well or else of CFD software. It give the element for the following work of simulation of nozzle through the understanding of above.According to the structure of nozzle, it set up the geometry modeling of nozzle through the mini-program. Based on the work principle of nozzle and compute principle of Fluent, it set up the mathematics modeling of nozzle. Then it synthesize the geometry and mathematics modeling for simulating of nozzle. This paper choose two dimension axis symmetry viscosity VOF model, and use for reference the data of experiment of HEC of boundary condition.It write a post-processing program of nozzle for efficiency compute. It is evidence better of precision of efficiency of nozzle by contrasting to result of tradition method. The nozzle angle has a max. number around 90 degree by computing efficiency of nozzle. It find out that the static pressure is not decrease steady by the surface of needle but have a max. number on the pinhead by the analysis of needle static pressure. According to the simulation result of nozzle, sum up a formula of flux computing, find out that the coefficient is thrice function of needle relatively space.Keywords Efficient of nozzle; simulation of fluid field; flux formula of nozzle; optimize design of nozzle目录摘要 ........................................................................................................................ I II Abstract . (IV)目录 (I)第1章绪论 (1)1.1 课题来源及研究的目的和意义 (1)1.2 国内外研究现状及分析 (2)1.2.1 冲击式水轮机喷嘴的研究现状及分析 (2)1.2.2 数值计算的研究现状及分析 (3)1.3本课题的主要研究内容 (4)第2章冲击式水轮机原理及Fluent软件介绍 (6)2.1 冲击式水轮机概述 (6)2.2 冲击式水轮机的工作原理 (7)2.3 冲击式水轮机中的能量损失 (8)2.4 冲击式水轮机喷嘴概述 (8)2.5 冲击式水轮机的参数选择 (9)2.6 Fluent软件的理论基础 (10)2.6.1 流场的数学模型概论 (11)2.6.2 数学模型的离散方法 (13)2.6.3 代数方程组的求解 (14)2.7 Fluent结构简介 (16)2.8 本章小结 (16)第3章冲击式水轮机喷嘴数值模拟 (17)3.1 喷嘴流动的数学模型 (17)3.2 喷嘴角度的几何计算 (20)3.3 喷嘴几何模型的建立 (23)3.4 计算模型的选择 (23)3.5 边界条件的设置 (25)3.6 喷嘴效率计算方法研究 (27)3.6.1 喷嘴效率计算理论 (27)3.6.2 计算结果分析 (28)3.7 本章小结 (32)第4章冲击式水轮机喷嘴CFD优化设计 (33)4.1 效率分析 (33)4.1.1 实验数据分析 (33)4.1.2 优化搜索计算 (34)4.1.3 效率分析结果 (40)4.2 压力分析 (44)4.2.1 流场计算喷针表面静压力分布 (44)4.2.2 与效率联系比较之发现 (49)4.2.3 压力分析结论 (51)4.3 流量系数公式的研究 (52)4.3.1 研究目的及解决思路 (52)4.3.2 原公式计算分析 (53)4.3.3 流量系数公式的拟合 (56)4.3.4 公式总结 (64)4.4 本章小结 (64)结论 (66)参考文献 (67)附录一喷嘴角度计算程序 (70)附录二喷针角度计算程序 (71)附录三喷嘴效率计算程序 (72)攻读学位期间发表的论文 (75)哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 (76)哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 (76)致谢 (77)第1章绪论1.1课题来源及研究的目的和意义自然界中有很多种能源[19]，目前已被利用的能源主要有热能、水能、风能和核能。
流体动力学数值模拟在涡轮机设计中的应用涡轮机是一种将液体或气体的动能转化为机械能的设备。
涡轮机广泛应用于航空、航天、能源和制造业等领域。
它的设计和优化必须考虑到复杂的流动。
传统的涡轮机设计方法主要依赖于试验和经验。
通过对原型机的实验分析，得到设计方案并适当地进行修改和改进。
然而，这种方法需要大量的时间和经济成本，并且面临重大的技术挑战。
近年来，随着计算机技术的发展，数值模拟在涡轮机设计中得到了广泛应用。
其中，流体动力学数值模拟是一种非常有用的方法。
流体动力学数值模拟是一种基于计算机的数值求解方法。
它通过数学模型和计算方法对流体运动进行数值计算，可以预测流体的流动性态、分布和力学行为。
在涡轮机设计中，流体动力学数值模拟可以提供各种流场参数，如压力、速度、温度和湍流等。
这些参数对于涡轮机的性能和安全至关重要。
流体动力学数值模拟还可以预测流体在涡轮机内部的流动方式，帮助优化设计方案并提供更好的效率。
在进行流体动力学数值模拟时，需要建立数学模型和计算方法。
涡轮机的数学模型通常包括基础方程、边界条件和运动及变形条件。
这些方程和条件可以通过数学公式和计算机程序进行求解。
计算方法的选择和设计也是流体动力学数值模拟的关键。
一般来说，计算方法要考虑流场性质、边界条件和复杂度等因素。
在进行模拟时，需要收集涡轮机的几何参数、工作条件和工作模式等信息。
这些信息可以从实验和其他现有数据中获得。
然后，将这些信息输入模拟程序中进行数值计算。
最终得到的结果可以通过可视化图像、数值数据和其他工具进行分析和解读。
流体动力学数值模拟在涡轮机设计中的应用非常广泛。
它可以用于设计各种类型的涡轮机，包括汽轮机、风力涡轮机和喷气发动机等。
例如，在汽轮机的设计中，流体动力学数值模拟可以优化转子和叶轮的几何构造，并改进叶片的流动特性。
在风力涡轮机设计中，数值模拟可以预测风场和叶片的流场分布，并提供最佳的叶片设计和布局。
在喷气发动机设计中，数值模拟可以确定整个发动机的性能和效率，并优化燃烧过程和增加推力。
cfd方法CFD方法。
CFD（Computational Fluid Dynamics）方法是一种利用计算机对流体流动进行数值模拟和分析的方法。
它可以模拟和预测流体在各种复杂条件下的运动规律，广泛应用于航空航天、汽车工程、能源领域、环境工程等各个领域。
本文将介绍CFD方法的基本原理、应用领域以及发展趋势。
CFD方法的基本原理是基于流体力学和数值计算方法，通过对流体运动的基本方程进行离散化和数值求解，得到流场的数值解。
在CFD模拟中，流体被划分为无数个小单元，通过对每个单元的运动状态进行计算，最终得到整个流场的运动规律。
通过CFD方法，可以模拟出流体的速度场、压力场、温度场等重要参数，为工程设计和优化提供重要参考。
CFD方法在航空航天领域有着广泛的应用。
在飞机设计中，通过CFD方法可以模拟飞机的气动性能，优化机翼、机身等部件的设计，提高飞行效率和安全性。
在火箭发动机设计中，CFD方法可以模拟燃烧室内的流动情况，优化燃烧过程，提高发动机的推进效率。
同时，CFD方法也可以模拟飞行器在大气层内的飞行过程，为飞行器的控制和稳定提供重要参考。
汽车工程是CFD方法的另一个重要应用领域。
通过CFD方法，可以模拟汽车在高速行驶时的空气动力学特性，优化车身外形和气动套件设计，降低空气阻力，提高燃油经济性。
此外，CFD方法还可以模拟汽车发动机内部的燃烧过程和冷却系统的热管理，为发动机的性能和可靠性提供支持。
能源领域也是CFD方法的重要应用领域之一。
通过CFD方法，可以模拟火电厂和核电厂的燃烧过程和热力循环过程，优化锅炉和汽轮机的设计，提高能源转化效率。
同时，CFD方法还可以模拟风力发电机的叶片气动特性，优化叶片设计，提高风能利用率。
环境工程是CFD方法的另一个重要应用领域。
通过CFD方法，可以模拟大气和水体的流动、传热和污染扩散过程，为环境污染防治和环境风险评估提供重要支持。
此外，CFD方法还可以模拟城市建筑和交通系统的热环境和空气质量，为城市规划和设计提供科学依据。
增压器涡轮叶片间流体流动的数值模拟增压器是一种在内燃机中广泛应用的机械设备，其主要作用是将进气空气增压，并通过进气管送入发动机中。
增压器的核心部件是涡轮，其叶片通过流体的作用使涡轮转动，从而提高进气空气的压力。
为了更好地研究涡轮叶片中流体流动的规律，我们采用数值模拟的方法进行研究。
首先，我们需要建立涡轮叶片的三维模型，并进行网格化处理。
在网格化过程中，我们需要考虑叶片表面的细节和几何形状，同时保证网格密度足够高，以保证数值模拟的准确性。
然后，我们需要定义流体的物理特性，如流体密度、粘度等。
这些物理特性的定义将对涡轮叶片中流体流动的结果产生重要的影响。
在进行数值模拟的计算时，我们采用了CFD（Computational Fluid Dynamics，计算流体力学）软件进行模拟。
通过对叶片表面的流体流动进行数值求解，我们可以得到流体在叶片表面的压力分布、绕流情况、旋涡度等重要的流体参数。
同时，我们还可以使用该软件提供的动画功能，观察涡轮叶片的转动情况。
经过数值模拟计算，我们得出了涡轮叶片的流体流动结果。
我们发现，流体在叶片表面的流动呈现出多层次的流动现象。
当流体经过叶片的入口时，会产生较强的旋转，然后在叶片的顶部形成一层较强的正压区域。
叶片的底部则形成了一个弱负压区域，不同的叶片之间还存在较为复杂的流动相互影响，整个叶轮的流动非常复杂，需要仔细研究。
最后，我们将通过数值模拟所得到的流体流动结果与实际测试数据进行比对，以验证模拟结果的正确性。
这将有助于我们更好地理解涡轮叶片中流体流动的规律，并为改进增压器的设计提供重要的参考依据。
综上所述，采用数值模拟的方法进行涡轮叶片的流体流动研究，可以更好地理解涡轮增压器的工作原理，并为改进增压器的设计提供重要的理论支持。
预计随着计算机技术的不断发展，数值模拟在研究机械设备中的应用将变得越来越广泛。
对于涡轮叶片中的流体流动分析，我们需要采集相关的数据，并进行深入分析。
摘要本文将曲面造型与数值计算有机的结合在一起应用到离心泵叶轮的设计中。
采用二维造型得到计算区域，通过对离心泵叶轮内部流场的数值计算与分析，得到较好的离心泵叶轮。
本文主要对离心泵叶轮的计算公式进行研究，并对离心泵叶轮的尺寸进行计算。
建立了一个叶轮轴面投影图，为叶轮的绘型做准备。
选择一种适合的绘型方法，完成离心泵叶轮的绘型。
最后再利用PRO/E软件建立离心泵叶轮的三维实体模型,即完成了在PRO/E中的三维建模。
为了方便流场数值的模拟分析，使用Gambit软件对所得的三维模型进行划分网格，运用fluent软件做出边界条件并计算，再使用fluent软件对所设计的离心泵叶轮内三维流场进行了数值模拟，并对计算结果进行了分析。
而后采用基于标准k一e湍流模型来求解，在非结构化网格中，采用基于有限元的有限体积法对方程进行离散，用压力校正法进行数值求解。
利用湍流模拟结果，分析了离心泵叶轮进口边位置对泵性能的影响。
由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而fluent能达到最佳的收敛速度和求解精度。
本文结合实例和经验，通过对离心泵叶轮CFD计算结果的分析，说明所设计的叶轮是成功的。
关键词：离心泵叶轮；PRO/E；三维建模；数值模拟；计算流体动力学（CFD）Title Based on PRO / E centrifugal impeller three-dimensional modeling and numerical simulationAbstractThis article will surface modeling and numerical computation applied to the organic combination of centrifugal pump design. Be calculated using two-dimensional modeling area, through the centrifugal pump impeller Numerical calculation and analysis, get a better pump impeller.In this paper, the formula for centrifugal pump impeller to study, and calculated the size of centrifugal pump impeller. The establishment of a leaf axle plane projection, the drawing of the impeller to prepare. Select the drawing of a suitable method to complete the drawing of centrifugal pump impeller. Finally, using PRO / E software to establish the three-dimensional solid model centrifugal pump impeller, which was completed in PRO / E in the three-dimensional modeling.In order to facilitate numerical simulation analysis,the use of proceeds Gambit software mesh three-dimensional model,using fluent software to make the boundary conditions anf calculate,and then use software designed for fluent centrifugal pump impeller flow field is numerically simulation and calculation results are analyzed. Then based on the standard k a e turbulence model to solve, in the unstructured grid, finite element based finite volume method to discretize the equations using the numerical solution of the pressure correction method. Turbulence simulation using the results of analysis of a centrifugal pump impeller inlet side of the pump performance of the location. As a result of a variety of multi-grid solution method and the accelerating convergence technology, which can achieve the best fluent convergence speed and solution accuracy.In this paper, examples and experience, through the centrifugal pump impeller CFD analysis results, indicating that the impeller is successful. Keywords: centrifugal pump impeller; PRO / E; three-dimensional modeling; numerical simulation; computational fluid dynamics (CFD)目录基于PRO/E离心泵叶轮三维建模及流场数值模拟分析第一章绪论1.1论文研究的背景：泵广泛应用于国民经济的各个部门，它的技术性能对各相关行业影响巨大，长期以来采用“手工设计一样机生产一样机测试一设计修改”的生产路线，其不仅研制开发费用高，而且周期很长。
水泵水轮机的流场模拟及性能分析水泵水轮机是利用水流对水轮机叶片的推力来转动轴的设备，也是水力发电站中一个重要的组成部分。
随着数值模拟技术和计算机处理能力的提高，目前越来越多的工程领域在设计开发过程中采用了计算流体力学（CFD）技术来对流场进行模拟和分析。
本文将介绍水泵水轮机的流场模拟及性能分析，希望有助于读者对该领域有进一步的了解。
1. 水泵水轮机的基本原理水泵水轮机是由水轮机和水泵两个组成部分组合而成的设备。
水轮机是将水的动能转换为机械能的设备，可用于发电或提供动力。
水泵则是将机械能转化为水的动能，将水从低处输送到高处。
水泵水轮机在水力发电站中的作用是将水的能量转换为机械能，以驱动发电机发电。
2. 水泵水轮机的流场模拟在水泵水轮机的设计过程中，优化流场是一个很关键的环节。
借助CFD技术，可以模拟水泵水轮机在不同工况下的流场特征和流量分布等参数。
这些模拟结果可以用来指导设计优化和性能预测。
2.1 模拟方法通常，水泵水轮机模拟采用的方法是数值模拟。
数值模拟分为两个主要步骤：离散化和求解。
离散化是指将连续的流场离散化为小的单元，将研究对象看作由许多小的单元组成的整体。
而求解则是在每个单元中求解出湍流流动中的方程组，最终得到整个流场的性质。
2.2 模拟结果通过模拟，可以得到水泵水轮机的流量、速度、压力分布以及水力损失等参数。
这些参数是优化设计和性能预测所必需的，可以用来评估水泵水轮机的性能，指导后续改进。
3. 水泵水轮机的性能分析水泵水轮机的性能是指它在不同条件下的输出功率和效率等参数。
通过实验和数值模拟可以得到水泵水轮机的性能参数，评估其性能并改进其设计。
3.1 性能参数水泵水轮机的性能参数包括流量、扬程、效率、功率等。
流量是指单位时间内通过水泵水轮机的水量，扬程则是从低处输送至高处时，在水泵水轮机内产生的流动压力差。
而效率则是将水的能量转化为机械能的比例。
3.2 性能分析性能分析通常是通过实验和数值模拟方法来进行的。
柔性叶片水轮机流体动力特性数值模拟研究的开题报告摘要：本文拟对某柔性叶片水轮机进行流体动力特性的数值模拟研究。
首先，采用CFD 软件建立了模型，并对模型的网格进行细化，确保模型在计算精度和计算效率上具备优势。
其次，验证模型的可靠性，通过与实验数据进行比较，来判断模型的精度。
最后，分析水轮机的流体动力特性，在此基础上提出改进方案，为水轮机的优化提供参考。
关键词：柔性叶片水轮机；数值模拟；流体动力特性；网格细化；优化方案一、研究背景与意义随着科学技术的不断进步，水力发电在我国的能源结构中扮演着越来越重要的角色。
水轮机作为水力发电的核心设备，其性能的优异与否将直接影响水力发电的效率和环保水平。
柔性叶片水轮机作为一种新型水轮机，与传统水轮机相比，在转速范围、柔性、噪音和振动方面具有诸多优势，因此备受研究者的关注。
但是目前对柔性叶片水轮机的研究主要集中在理论和实验方面，并缺乏数值模拟的研究，因此本研究拟采用数值模拟方法，对柔性叶片水轮机的流体动力特性进行研究，以期为其优化提供参考。
二、研究内容与步骤（一）研究内容本研究通过数值模拟方法，研究某柔性叶片水轮机在不同载荷情况下的流体动力特性，并结合实验数据，对模型进行验证，提出优化方案，以期为柔性叶片水轮机的设计和优化提供参考。
（二）研究步骤1、建立数值模型。
采用CFD软件建立柔性叶片水轮机的数值模型，并对其进行网格细化，以保证在计算精度和计算效率之间达到平衡点。
2、验证模型。
通过实验数据验证数值模型的可靠性，分析实验数据与数值模拟结果之间的误差，判断模型的精度。
3、分析流体动力特性。
以柔性叶片水轮机在不同载荷工况下的流体动力特性为研究对象，采用数值模拟方法分析柔性叶片水轮机的流体动力特性。
4、提出改进方案。
根据数值模拟结果，提出方案，对柔性叶片水轮机进行改进，以期提高其效率和安全性。
三、研究条件与费用（一）研究条件1、计算机软硬件设备：Dell Precision T5810工作站、ANSYS Fluent CFD软件、SolidWorks 3D CAD软件、Turbomachinery CFD模块等。
采用Kriging代理模型的蜗壳优化设计郦琦;刘鹏寅【摘要】An optimization design was developed for volute in order to address the impact on the volute performance resulting from circumferential variation in the cross sectional area distribution. And a Matlab⁃based aerodynamic optimization program was developed for minimizing the total pressure loss. The optimization of average coefficient of total pressure loss of the flow in volute was achieved by changing the geometric construction. With two circumferential cross section areas as controlling points which were then adjusted with one parameter, the calculation with commercial CFD software led to a numerical value. This optimization program adopting the Kirging model with both precision and calculation cost taken into consideration, finally resulted in an optimal cross⁃sectional area distribution aiming at the minimum total pressure loss coefficient. By comparison with prototype, the optimized volute has an improved performance.%针对蜗壳周向截面面积分布发生变化对蜗壳性能产生影响的问题，进行了蜗壳的优化设计。
泵产品CFD仿真技术解决方案1概述优良的泵产品必须满足一定的技术指标，这包括水力性能、振动情况和结构特性。
这三方面的技术构成了泵产品制造商的核心竞争力。
水力性能是泵最重要的质量指标，它包括流量-扬程特性、效率特性、汽蚀特性等。
在过去几年中，CFD在水力机械领域广泛应用使其地位变得越来越重要。
其中主要原因是：在模型转轮制造之前就可以采用CFD对水力设计进行优化，这样CFD可以大大减少模型试验的时间和费用。
其次，采用CFD可以对最终设计的转轮叶片型线进行优化，这在传统的模型试验方法中是几乎不可能的。
另外，非常重要的一点是，经过对某一个流场的分析计算，流场的所有参数，例如：速度分量，静态和总的压力以及紊流量，都已得到，可以用于进一步的详细分析。
国内外众多知名水力机械制造商已经将CFD/CAE分析手段纳入到产品研发的标准流程中。
相比以往的设计方法，使用CFD能够提高泵的效率5~10个百分点，提高叶轮寿命半年~4年时间，降低流动噪声，还能实现高比转速泵的单调流量-扬程曲线；利用CFD筛选非常耗时的泵实验模型，提高整个产品研发的效率。
结合模型实验和其它流场可视化手段使得工程师对泵内的流动现象有了更深入的了解。
对某些项目，CFD和试验分析可同时进行，这样可以得出CFD理论分析结果与试验结果之间的比较。
这也是弥补数值分析方法局限性的一个前提条件，而且也可以提高数值分析的精度。
最终，对某些项目不进行模型试验而直接采用CFD进行水力设计已成为可能。
目前泵产品的设计研发中利用CFD仿真手段主要有如下工作内容：•新模型的开发•已有模型的优化•预测扬程特性及效率•汽蚀性能•动静干涉•压力脉动•流致噪声•流体产生的径向力，轴向力•水力矩•流道分段损失2泵产品CFD仿真方法在水力机械设计过程中，可以采用许多种计算方法，这取决于计算精度和计算时间。
可采用一元理论，以及建立在试验结果基础上的二元理论（叶片到叶片，轮毂到轮缘）和一些简化程序（基于势流理论的程序）。
