基于流体工程仿真计算的水轮机设计0风筒

基于流体工程仿真计算的水轮机设计

基于流体工程仿真计算的水轮机设计 水轮发电机组的性能优越与否，主要取决于3个要素：机组的稳定性；运行的效率；空化性能的好坏。决定这3个因素的关键是机组内部的流态状况，若内部流体运动规律不理想，产生负压、叫流的地方较多，会让零件的气蚀破坏程度增加，机组的振动频率加大，使得检修的次数增加，缩短使用寿命。因此，在水轮机设计的前期工作中，能否准确地把搌内部流场状况，对确定机组过流部件的合理尺寸、工艺改进、材料的选用以及机组的运行稳定件等，具有指导件的意义。所以，产品设计前期，对水轮机的内部流场模拟仿真十分必要。鉴此，本文介绍了水轮机内部流畅模拟的具体流程，并对混流式机组的过流部件之一——导水机构进行数值模拟，以说明流体工程仿真对于水轮机设计的重要件。1 水轮机流场模拟流程 对水轮机内部流场的模拟，主要是指通过计算机技术，离散控制方程的方式进行数值计算。最后，以图像显示的形式，描述内部流体的物理现象。其操作的具体步骤主要分为：建立水轮机过流部件的内部流场模型；对模型进行网格划分；选择湍流模型；设置边界条件；计算结果显示。以下针对每一个环节进行说明： 1、)内部流场模型的构建。主要是根据机组运行时所处的某一特定工况下，它的过流部件所处于的理论状态(如小流量工况下，导叶的开度值、转轮的转速等、)，通过不同的表征参数，建立内部流体的模型。 2、)网格划分。网格是流场模拟计算的载体，对建立好的模型划分计算网格，是数值计算的最关键一步，也是工作量最大的一个步骤。具体对水轮机而言，过流部件人多是复杂的、非规则的自由曲面(如尾水管、叶片等)，因此，在网格的划分上，也存在一定的难度，为提高网格生成的质量，保证计算精度，本文结合过往分析经验，采用六面体非结构化网格作为划分方式。 3)湍流模型的选择。对于人多流体机械而言，其内部流体的流动方式皆为湍流状态，水轮机也是如此。因此在网格划分完毕之后，需要选择湍流模型。传统的流体机械仿真，人多选用k-ε双方程模型进行计算，其结果也基本符合实际情况。然而，由于水轮机流道存在弯曲壁面(蜗壳、尾水管、转轮室等)，若采用上述模型进行计算，容易出现失真现象，降低计算的精度。故本文选用k-ε双方程模型的修正方案，即RNG kε模型，因为它有效避免了前者的弊端，对于弯曲壁面的计算，不会出现失真情况，能保证结果的准确性。 4、)边界条件的设置。即求解域的边界上所求解的变量和一阶导数的变化规律。水轮机的计算中，边界条件设置较为简单，基本边界条件主要包括：流动进口边界和流动出口边界。 5)计算结果显示。主要是迭代计算完毕之后，以云状图、坐标等方式显示出机组在某种工况下、整体或单个部位、断面的速度压力分布情况，了解容易产生负压，回流的部位，为后续设计、改良、优化提供理论参考依据。2 导水机构的内部流场模拟 本文以某混流式机组的过流部件之一—导水机构为例，进行流场仿真计算。以机组最优工况为计算依据，其已知相关参数为：水头(H)、流量(Q)、导叶开度(α)、速度环量(τ)等。后续操作步骤为： 1)根据已知断而型线进行绘型，然后调整导叶开度至口，绘制出该工况下的流场三维模型，并对其整体划分非结构化六面体网格，如图1所示。

2)选取RNG k-ε模型为湍流计算模型，其控制方程为：

式中：ρ——流体密度； u——速度矢量； t——时间参数； k——传热系数； α——松弛因子； Gk——湍流动能； ε——耗散率。 3)设置边界条件。对于该模型而言，边界条件的生成主要为：①速度进口边界(即在进口边设置速度值Vj)；②压力出口边界(在出口边设置压力出口值Pc)。然后，进行迭代计算，其速度分 由图2可以看出：水流速度从进水边一直到出水边，整体趋势是均匀增大的；水流的流动状况比较顺畅，无明显脱流、漩涡的发生；速度分布沿圆周方向的对称性良好。由此说明，该导水机构的流态较好，满足机组运行的要求。因此，该导叶断面翼型尺寸的确定是合理的。

3 结论 本文阐述了流体工程仿真技术在水轮机设计中的现实作用。详细介绍了实现水轮机内部仿真模拟的基本流程。最后，对某混流式水轮机导水机构在最优工况点的条件下，进行了流场模型的构建以及流体数值模拟计算，良好的计算结果，验证了设计的合理性。然而，仿真计算只是一个在计算机上操作的模拟过程，无论多么精确地按照实际状况进行仿真，与实际试验结果相比，都存在一定偏差，未来随着计算机技术的日趋完善，计算的精度也将大幅度提高。

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