基于CFX的噴嘴噴針流道的水力優(yōu)化

鄭發(fā)平，宋文武，馮凌寒，程 飛

（1. 西昌學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，四川 西昌 615013；2. 西華大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，成都 610039）

1 引言

我國(guó)是一個(gè)水力資源相當(dāng)豐富的國(guó)家，水能又是清潔可再生能源，開(kāi)發(fā)水能是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要條件。但我國(guó)水力資源又相差很大，特別是西南地區(qū)多山區(qū)河流，這些河流的特點(diǎn)就是水頭高，流量小，因而，沖擊式水輪機(jī)有著很大的發(fā)展前途，該機(jī)型的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)較低，在較大的流量出力范圍內(nèi)具有較高的效率。目前，我國(guó)沖擊式水輪機(jī)發(fā)展水平還較低，特別是高水頭、大容量、多噴嘴形式的沖擊式水輪機(jī)與國(guó)外先進(jìn)水平相比還有較大距離。噴嘴及噴針的幾何流道不僅影響噴嘴內(nèi)部流場(chǎng)，而且也會(huì)影響射流情況和能量的轉(zhuǎn)換。因此，噴嘴幾何流道對(duì)水輪機(jī)的影響是不可忽視的，對(duì)其進(jìn)行研究對(duì)水輪機(jī)的性能有著極其重要的意義。

2 數(shù)值模擬

2.1 研究對(duì)象

本文結(jié)合傳統(tǒng)的三種噴嘴流道進(jìn)行數(shù)值分析比較，并自行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了兩種噴嘴與噴針流道幾何型線，以達(dá)到噴嘴幾何流道優(yōu)化的目的。

研究對(duì)象相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖1 噴嘴流道幾何簡(jiǎn)圖

表1 噴嘴噴針流道主要參數(shù)

2.2 控制方程

牛頓流體非定常流動(dòng)控制方程的雷諾時(shí)均形式如下：

連續(xù)性方程

動(dòng)量方程

式中： ui——平均速度；

cμ——有效粘性系數(shù)，表示分子粘性系數(shù)μ與湍流渦粘性系數(shù)之和。

本次非定常計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型：

方程（3）、（4）中，Gk表示由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，Gb是由浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，YM代表可壓湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)，Sk和Sε表示用戶(hù)自定義的源條件。

2.3 數(shù)值模擬

為了更好地比較各流道，設(shè)計(jì)流場(chǎng)出口直徑均為122.8mm。在WORKBENCH中，進(jìn)行建模并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格劃分如圖2所示。

2.4 邊界條件

設(shè)置進(jìn)口速度為9m/s，出口相對(duì)壓力為0。在求解控制器中設(shè)置 Timescale Control為 Physical Timescale，設(shè)置Physical Timescale 為0.01[s]。

圖2 流場(chǎng)模型及網(wǎng)格劃分

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果比較分析

對(duì)模型進(jìn)行CFX數(shù)值模擬后，對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析由能量方程V2/2g+P/γ+z=c進(jìn)行校核。設(shè)△E為進(jìn)出口的能量變化，5種方案的能量變化比較結(jié)果如下表：

表2 進(jìn)出口能量變化

5種方案中，方案一的損失最小，從能量損失來(lái)看，此為最優(yōu)方案，而方案四的損失最大，將不再對(duì)方案四繼續(xù)分析。將方案二，方案三，方案五進(jìn)行比較，找出較優(yōu)的兩種方案與方案一構(gòu)成較優(yōu)的三種方案，達(dá)到優(yōu)化三種傳統(tǒng)方案的目的。

圖3中，(a)，(b)，(c)分別為方案二，方案三和方案五的出口壓力，速度和流線分布圖。模擬進(jìn)口速度均設(shè)置為9m/s，通過(guò)CFX模擬計(jì)算得到三種方案的出口平均速度，方案二為91.9m/s，方案三為105.3m/s，方案五為95.7m/s。

3.2 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用CFX軟件，將不同尺寸的流道進(jìn)行了數(shù)值模擬分析及比較，可以得出傳統(tǒng)的三種方案中，從能量變化上看，方案一是最優(yōu)的，而方案二和三的損失接近，為得到較優(yōu)的三種方案，比較結(jié)合出口參數(shù)分布云圖和流線分布可以得出，方案二（圖3a）參數(shù)分布較差，有明顯的梯度變化，而方案三（圖3b），方案五（圖3c）的分布比較均勻。在相同的速度進(jìn)口下，方案五的出口速度也高于方案二，這也說(shuō)明了方案五的能量損失較小。從加工制造和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，圖1和表1所示，方案五的噴管直徑b較方案二的小，方案五噴管過(guò)度圓弧半徑R和噴嘴過(guò)度圓弧半徑r都比方案二的大，噴管直徑b較小節(jié)約了材料，過(guò)度圓弧半徑較大降低了加工難度。綜上所述，傳統(tǒng)的三種方案中的方案二應(yīng)該被方案五替代，從而優(yōu)化了傳統(tǒng)方案。

圖3 出口壓力、速度及流線分布計(jì)算結(jié)果

[1]李貴斌, 等. 沖擊式水輪機(jī)噴嘴射流的CFD技術(shù)[J]. 水電能源科學(xué), 2003, 21（1）：72-79.

[2]機(jī)械工程手冊(cè)編輯委員會(huì), 電機(jī)工程手冊(cè)編輯委員會(huì).機(jī)械工程手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1982.

[3]程良駿. 水輪機(jī)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[4]H. K. Versteeg, W. Malalasekera. An Introduction to Computational Fluid Dynamics [M]. The Finite Volume Method. Wiley, New York, 1995.

[5]王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析[M]. 北京：清華大學(xué)出版社.2004.

[6]H. Schlichting. Boundary Layer Theory [M], 8thed.McGrawHill, New York, 1979.

[7]S. V. Patanker, D. B. Spalding, A calculation processure for heat mass and momentum transfer in three-dimensional parabolic flows [J]. Int J Heat Mass Transfer, 15:1787-1806, 1972.