摘 要

伴随着煤炭、石油、天然气等传统能源的不断枯竭和人们对环保要求的不断提高，世界各国对新能源的开发和利用越来越重视。水流能作为一种比较丰富的自然资源，是一种清洁、无污染并且蕴藏丰富的可再生新能源，对其合理的开发和利用能有效的缓解能源危机，在近年来越来越受到人类的的关注和重视。水流能获取装置——水轮机，是水流能发电站的关键部分，影响着整个发电系统的性能。水轮机叶片受到升力作用驱动而旋转，进而带动发电机发电，是水流能发电装置中最基础、最为关键的部件。

本文首先就世界能源形势，阐述水流能研究的背景及意义以及发电技术研究现状，了解国内外水轮机研究进展情况，借鉴成功经验继续探索提高水轮机效率的方法，研究影响水轮机效率的影响因素，在保证经济型优势的前提下，选择合适的水轮机参数。在本课题中，利用了虚拟模拟仿真平台ANSYS软件对水轮机周围的流场进行了模拟仿真，求解水轮机的输出扭矩，分析其压力云图和速度云图，主要按照以下进程对水轮机特性进行了研究。

1. 通过查阅资料，了解了水轮机的获能方式，熟悉模拟仿真软件ANSYS，并利用ANSYS软件进行水轮机模型的模拟仿真。
2. 在建立好水轮机模型的基础上，对模型进行处理，包括对模型进行网格划分，边界条件设置，求解预处理，方便进一步对流场的模拟仿真。
3. 在完成整套的模拟仿真流程后，通过改变水轮机叶片中的某一个参数（叶片数，叶片厚度，叶片包角）研究水轮机的功率，效率变化，从而得出结论。

本文通过对轴流式水轮机水动力性能和流场特性的分析，揭示轴流式水轮机在各种工作情况下的动力性能及周围流场的特性，对轴流式水轮机的下一步研究提供了借鉴和指导，对水轮机在工程中的使用提供了理论基础。

关键词：轴流式；水轮机；计算流体力学；流场分析；数值模拟

Abstract

With the continuous depletion of traditional energy such as coal, oil and natural gas and the continuous improvement of environmental protection requirements, the development and utilization of new energy sources in the world are paying more and more attention. Water flow can be used as a relatively rich natural resources, is a clean, pollution-free and rich in renewable new energy, its rational development and utilization can effectively alleviate the energy crisis, in recent years more and more by the human Attention and attention. Water flow acquisition device - turbine, is a key part of the hydroelectric power station, affecting the performance of the entire power generation system. Turbine blades are driven by the lift and rotation, and then drive the generator power generation, is the most basic power flow device, the most critical components.

This paper first analyzes the current situation and significance of water flow research, the current situation of power generation technology research, the understanding of domestic and foreign hydro turbine research progress, learn from the successful experience to continue to explore ways to improve the efficiency of the turbine to study the impact of turbine efficiency factors, Economic advantages of the premise, select the appropriate turbine parameters. In this paper, the virtual simulation simulation platform ANSYS software is used to simulate the flow field around the turbine. The output torque of the turbine is analyzed, and the pressure cloud and velocity cloud are analyzed. The characteristics of the turbine are studied according to the following process.

1. Through the access to information, to understand the way the turbine energy, familiar with the simulation software ANSYS, and the use of ANSYS software for turbine simulation simulation.
2. Based on the establishment of the turbine model, the model is processed, including grid division, boundary condition setting, preprocessing, and further simulation of the flow field.
3. After completing the whole simulation simulation process, the power and efficiency of the turbine are studied by changing one of the parameters (blade number, blade thickness, blade angle) of the turbine blades.

Based on the analysis of the hydrodynamic performance and flow field characteristics of the axial-flow turbine, the dynamic performance of the axial-flow turbine under various working conditions and the characteristics of the surrounding flow field are discussed. The next step of the axial-flow turbine is provided. And guidance, the turbine used in the project to provide a theoretical basis. 

Key words: axial flow; turbine; computational fluid dynamics; flow field analysis; numerical simulation

目录

摘要 4

第1章 绪论 9

1.1研究目的及意义 9

1.2国内外研究现状分析 10

1.3基本内容和技术方案 12

1.3.1基本内容 12

1.3.2技术方案 13

1.4本章小结 14

第2章 水轮机数值模拟方法 15

2.1流体控制方程 15

2.1.1连续性方程 15

2.1.2动量守恒方程 16

2.1.3能量方程 17

2.2湍流模型 17

2.2.1标准模型 17

2.3水轮机模型 18

2.3.1模型建立 19

2.3.2网格划分 21

2.3.3边界条件，求解预处理,结果及后处理 23

2.3.4模拟仿真结果 27

2.4本章小结 28

第3章 水轮机模型计算 29

3.1水轮机叶片理论 29

3.2水轮机叶片翼型 30

3.2.1 翼型几何参数 30

3.2.2叶片翼型设计 31

3.3数值模拟方法验证 32

3.4本章小结 34

第4章 影响因素分析 35

4.1叶片包角对功率的影响 35

4.2叶片厚度对水轮机功率的影响分析 36

4.3叶片数对水轮机功率影响分析 37

4.4本章小结 40

第5章 总结与展望 41

5.1课题主要研究总结 41

5.2研究展望 41

参考文献 43

致谢 44

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

随着世界的发展，人们对于能源的需求越来越大，据估计，按照目前的储量以及人类对能源的消耗速度，煤炭，石油,天然气等传统化石燃料也趋于枯竭。如图1.1所示，传统化石燃料的大量使用会造成全球气候变暖，环境污染严重，对于可持续发展造成极大的不利，这在2009年丹麦哥本哈根全球气候峰会上人类就对于全球气候变化的问题存在很大的担忧^[1]。为了解决能源短缺问题以及化石燃料所造成的环境污染问题以及保证经济的可持续发展，世界各国都在努力开发各种新型清洁能源，大力发展可再生能源。目前技术较为成熟的有水能，风能，太阳能，核能，地热能，生物质能等各类清洁可再生能源。