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水力资源作为可再生能源之一,具有相对低廉的开发成本,开展相关水力机械的研究意义重大。我国水力资源储量丰富,但泥沙河流众多,大部分水电站均受到泥沙磨损的困扰,并且现运行多数水轮机是在清水水质下所设计研发。而实际运行中由于工作水质的改变,水轮机偏离设计工况,造成水轮机转轮叶片表面可能同时遭受空蚀和沙粒磨损的联合作用,从而导致水轮机运行稳定性和寿命受到严重威胁。本文应某水电站高水头、高转速和高泥沙的设计工况及要求,进行了水轮机的选型、各通流部件结构的设计。然后基于流体动力学理论,采用计算流体动力学(CFD)模拟仿真软件CFX开展了水轮机结构的优化及其内部固-液两相流动的研究。主要开展工作如下:(1)根据水电站所给定的水头H、流量Q、出力P和含沙量等原始设计参数及其它相关要求,完成了水轮机型号的选取和各通流部件(蜗壳、座环及活动导叶、转轮和尾水管)主要结构尺寸的确定,并以此建立了蜗壳、座环及活动导叶、转轮和尾水管的三维水体计算模型。(2)介绍了计算流体力学的基本概念和相关控制方程,以及目前工程实际中常使用的一些湍流模型理论和固-液两相流模型理论,并根据水电站实际工况要求,完成了对湍流模型以及两相流模型的选取。然后,利用CFX软件完成了对计算方法和计算域边界条件的设置。(3)基于数值模拟方法,采用ANSYS CFX软件对设计工况下水轮机进行了全流道固-液两相流数值模拟计算,完成了水轮机内部流动水力损失计算和其它各项水力性能评估。然后依据模拟计算所得到的水轮机整体水力效率、转轮叶片正背面压力分布情况和全流道固-液两相流场流动特性分析结果,对转轮叶片各主要结构参数(入水边安放角、出水边安放角和厚度)进行了改型优化设计,同时研究了各主要结构参数对水轮机整体水力性能的影响。(4)依据水电站实际运行情况,选取了三种典型的非设计工况点。然后采用数值分析的方法,对所选取各工况点下水轮机优化模型分别进行了全流道固-液两相流数值模拟计算。最后通过对比分析,预测了各工况点下所设计水轮机各通流部件沙水两相压力分布、两相速度分布和沙粒浓度分布情况。