Оптимизационное проектирование проточных частей гидротурбин и анализ течения в них методами математического моделирования

• Автор: Банников, Денис Викторович
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 152 с. : ил.

Введение

Глава 1 Прямые задачи гидродинамики турбин. Методы описания

ТЕЧЕНИЙ В ГИДРОТУРБИНАХ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИХ ХАРАКТЕРИСТИК

1.1 Модели турбулентных и невязких течений несжимаемой

жидкости.

1.1.1 Уравнения Рейнольдса.

1.1.2 Стандартная ке модель турбулентности

1.1.3 Уравнения Эйлера.

1.1.4 Квазитрехмерная модель течения жидкости

1.1.5 Законы подобия и приведенные величины

1.2 Расчет КПД гидротурбины

1.3 Расчет гидродинамических потерь энергии.
1.3.1 Непосредственное определение потерь энергии по ПОЛЯМ турбулентных течений. Расчетнотеоретический метод РТМ.
1.3.2 Инженерноэмпирические методики. Расчетноэкспериментальный метод РЭМ.
1.3.3 Комбинированные методики.
1.4 Постановки задач расчета трехмерных течений.
1.4.1 Полная нестационарная постановка.
1.4.2 Полная стационарная постановка.
1.4.3 Циклическая стационарная постановка
1.4.4 Типы границ в расчетном сегменте.
1.4.5 Краевые условия
1.5 Метод решения уравнений движения жидкости.
1.5.1 Метод искусственной сжимаемости
1.5.2 Неявный метод конечных объемов.
1.5.3 Приближенная 1ДЗ факторизация
1.6 Универсальная характеристика гидротурбины и методики ее
построения.
1.6.1 Построение универсальных характеристик на основе
расчета пространственного течения
1.7 Расчет напряженнодеформированного состояния лопасти
рабочего колеса.
1.7.1 Полная постановка задачи
1.7.2 Упрощенная постановка задачи
1.7.3 Метод граничных элементов МГЭ.
1.7.4 Численная реализация МГЭ
Глава 2 Обратные задачи гидродинамики турбин и методы их
РЕШЕНИЯ.
2.1 Методы прямого проектирования
2.2 Общая схема решения задачи оптимизационного проектирования формы гидротурбины, удовлетворяющей критериям на нескольких режимах ее работы.
2.3 Математическая постановка задачи многорежимной
оптимизации.
2.4 Вариация формы рабочего колеса посредством параметризации
его геометрии.
2.4.1 Параметризация срединной поверхности лопасти
2.4.2 Параметризация меридиональной проекции рабочего колеса
2.4.3 Параметризация распределения толщины лопасти
2.5 Гидродинамические ограничения
2.5.1 Сохранение заданных режимных параметров.
2.5.2 Кавитационное ограничение.
2.6 Целевые функционалы
2.6.1 Кинетическая энергия в сечениях за рабочим колесом
2.6.2 Отклонение линий тока от осредненного по окружному направлению потока.
2.6.3 Силовое воздействие потока на входную кромку лопасти
2.6.4 Размер области кавитации и место ее расположения
2.6.5 Коэффициент полезного действия гидротурбины.
2.6.6 Зависимость КПД турбины от режима работы
2.6.7 Максимальное эквивалентное напряжение на лопасти рабочего колеса
2.7 Модификация генетического алгоритма для решения задачи
многорежимного оптимизационного проектирования
2.7.1 Оператор селекции.
2.7.2 Критерии качества.
2.7.3 Клонирование
2.7.4 Параметры генетического алгоритма.
2.8 Параллельная реализация оптимизационного алгоритма
Глава 3 Оптимизационное проектирование гидротурбин и анализ
ТЕЧЕНИЙ В НИХ.
3.1 Богучанская ГЭС.
3.1.1 Исходная геометрия
3.1.2 Универсальная характеристика
3.1.3 Оптимальные геометрии и анализ течений в них.
3.1.4 Эффективность и ускорение параллельного оптимизационного алгоритма.
3.2 ГЭС Платановрисси
3.2.1 Исходная геометрия.
3.2.2 Универсальная характеристика.
3.3 Гоцатлинская ГЭС.
3.3.1 Исходная геометрия и режимы работы.
3.3.2 Результаты решения задачи проектирования.
3.3.3 Анализ пульсаций давления в отсасывающей трубе.
3.4 Сангтудинская ГЭС
3.4.1 Исходная геометрия и режимы
3.4.2 Оптимальные геометрии и анализ течения в них.
Заключение.
Список ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ


Второй подход , базируется на разработке приближенных и сравнительно простых теоретических моделей и эмпирических зависимостей. В нм КПД определяется приближенно, но существенно проще, не вдаваясь в подробности локальной структуры пространственного потока. Цель работы заключается в создании метода оптимизационного проектирования проточных частей гидротурбин на основе минимизации гидродинамических потерь энергии и выполнения прочностных требований и совершенствовании методик анализа течения в гидротурбинах. Объектом исследований является геометрия проточной части гидротурбины и движение несжимаемой жидкости в ней. Предметом исследований являются закономерности изменения гидродинамических характеристик турбины от вариации формы ее проточной части. Метод исследовании. Для решения прямых задач гидродинамики турбин используются современные методы математического моделирования и численные методы, а для решения задач оптимизационного проектирования методы отыскания экстремальных значений функционалов. Научная новизна изложенных в диссертационной работе результатов заключается в следующем. В диссертации предложена оригинальная комбинированная методика расчета гидродинамических потерь во всей проточной части турбины, объединяющая экономичные инженерноэмпирические подходы с методами математического моделирования пространственных турбулентных течений. На основе комбинированной методики создан новый метод расчетного построения прогнозной универсальной характеристики. На основе вычислительных экспериментов и анализа зависимостей гидродинамических потерь выявлены основные закономерности формирования оптимального режима работы гидротурбины, определены индивидуальные свойства математических моделей и алгоритмов, указаны области их применимости в зависимости от характера изучаемых процессов и режимов работы. Предложена и обоснована новая постановка задачи оптимизационного проектирования, включающая критерии достижения заданной зависимости КПД турбины от режима ее работы и запаса прочности. Разработанный метод оптимизационного проектирования может применяться для совершенствования и создания новых гидротурбин, выбора рациональной формы проточной части и режимов работы установки без проведения дорогостоящих экспериментов. Результаты диссертационной работы используются в проектных исследованиях в филиале ОАО Силовые машины Ленинградский металлический завод, что подтверждает Акт об использовании научных результатов в практической деятельности см. Приложение. Публикации. Результаты диссертации опубликованы в печатных работах, в том числе в скобках в числителе указан общий объм этого типа публикаций, в знаменателе объем принадлежащий лично автору 3 статьи в изданиях рекомендованных ВАК для представления основных результатов диссертации 36, 9 в трудах международных и всероссийских конференций 32, 4 в тезисах международных конференций 03. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований гранты 6, 4. Личный вклад автора. В работах , , , , посвященных решению задач оптимизационного проектирования автор принимал участие в постановках задач, построении численных алгоритмов и метода параметризации геометрии, интерпретации результатов. Результаты вычислительных экспериментов, изложенных в , , , , получены автором лично. В работе автором предложено обобщение генетического оптимизационного алгоритма для решения многорежимной оптимизационной задачи, в , проведена его всесторонняя верификация. В работах , автором предложен и реализован параллельный оптимизационный алгоритм, а так же проведена адаптация ранее созданных численных алгоритмов для работы на многопроцессорных системах. В работах , , , , , посвященных анализу течений в гидротурбинах, автор участвовал в разработке комбинированных методик расчета потерь энергии во всей проточной части гидротурбины и расчетного построения ее прогнозной универсальной характеристики, модификации численных алгоритмов. Проведение численных расчетов, сравнение полученных результатов с известными экспериментальными и расчетными данными выполнено автором самостоятельно. Представление работы.