基于FLUENT的長(zhǎng)短葉片水輪機(jī)數(shù)值仿真

張樹(shù)女 馮立斌 徐連奎

摘 要：為研究長(zhǎng)短葉片水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)情況及轉(zhuǎn)輪副葉片對(duì)水輪機(jī)工作運(yùn)行的影響，建立水輪機(jī)模型，使用ICEM軟件對(duì)各部件流道進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用軟件FLUENT、Realizable k-ε模型和SIMPLEC算法進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得到水輪機(jī)流道內(nèi)的速度分布及尾水渦帶云圖；在活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的無(wú)葉區(qū)以及尾水管直錐段設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)壓力脈動(dòng)變化情況。對(duì)比分析不同轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)工作狀況，發(fā)現(xiàn)采用帶副葉片轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)性能優(yōu)于無(wú)副葉片轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；葉片；FLUENT；渦帶；壓力脈動(dòng)

DOI：10.11907/rjdk.172765

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2018）005-0121-03

Abstract：In order to study the internal flow of the long and short blade turbine and the influence of the runner blades on the operation of the hydraulic turbine， the model of hydraulic turbine is established， and the flow passage of each component is meshed by ICEM. The simulation obtaines the velocity contour and vortex by FLUENT， Realizable k-ε and SIMPLEC. The monitoring point is set up in the no-leaf area of the guide vane and the runner and the straight cone section of the draft tube to monitor the change of the pressure fluctuation. The hydraulic turbine working conditions of different runners are compared and analyzed. The results show that the turbine with auxiliary blade runner is better than the turbine without auxiliary blade runner.

Key Words：turbine； blade； FLUENT； vortex； pressure fluctuation

0 引言

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）通常被稱作CFD[1]，廣泛應(yīng)用于水輪機(jī)仿真計(jì)算。在控制方程的作用下，利用CFD可以對(duì)流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置的基本物理量分布以及隨時(shí)間的變化規(guī)律[2-4]。

FLUENT是使用最廣泛的CFD軟件之一[5]，由于其網(wǎng)格的靈活性，研究者可以對(duì)不同計(jì)算區(qū)域采用不同的網(wǎng)格類型進(jìn)行劃分，從而解決不同的問(wèn)題。FLUENT軟件對(duì)解決復(fù)雜幾何區(qū)域的內(nèi)部流動(dòng)具有很大優(yōu)勢(shì)。曹芳濱等[6-9]對(duì)長(zhǎng)短葉片水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的氣液兩相流進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明在高水頭大流量的工況下，蝸殼、導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)以及尾水管內(nèi)基本沒(méi)有空化現(xiàn)象發(fā)生；胡全友等[10-12]則對(duì)長(zhǎng)短葉片混流式水輪機(jī)進(jìn)行了固液兩相流的數(shù)值模擬；羅麗、黃霄霖潔[13-15]模擬分析了長(zhǎng)短葉片混流式水輪機(jī)的三維非定常流動(dòng)。

本文對(duì)轉(zhuǎn)輪有無(wú)副葉片進(jìn)行計(jì)算分析，在活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間的無(wú)葉區(qū)以及尾水管直錐段設(shè)立監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)壓力脈動(dòng)狀況，對(duì)比分析副葉片對(duì)水輪機(jī)工作狀況的影響。

1 計(jì)算模型

計(jì)算模型為某水電站混流式水輪機(jī)，選取該水輪機(jī)在最優(yōu)工況下的運(yùn)行參數(shù)用于計(jì)算。其工作水頭為11.91m，活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度為9.84°，單位流量為0.203 m3/s，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速為335.4r/min，水輪機(jī)工作效率為92.61%，如表1所示。

水輪機(jī)的計(jì)算區(qū)域由活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪及尾水管組成。其中，活動(dòng)導(dǎo)葉有28個(gè)。轉(zhuǎn)輪采用兩種方案進(jìn)行比較，方案A轉(zhuǎn)輪僅有15個(gè)長(zhǎng)葉片，而方案B轉(zhuǎn)輪是在兩個(gè)長(zhǎng)葉片之間再安裝一個(gè)較短葉片，有長(zhǎng)、短葉片各15個(gè)，共30個(gè)葉片，尾水管采用彎肘型。

2 ICEM 網(wǎng)格劃分

模擬計(jì)算前需要對(duì)模型進(jìn)行合理的網(wǎng)格劃分，一般分為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和混合網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的單元節(jié)點(diǎn)連接方式固定且有一定的順序，而非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的單元節(jié)點(diǎn)連接方式不固定，每個(gè)節(jié)點(diǎn)周圍相鄰的節(jié)點(diǎn)數(shù)也不盡相同。所以，在FLUENT中，非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格具有更大優(yōu)勢(shì)，對(duì)于復(fù)雜的形狀流動(dòng)可以靈活地使網(wǎng)格離散?；旌暇W(wǎng)格就是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的一種結(jié)合，利用了兩種網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)。網(wǎng)格分類如圖1所示。

本文根據(jù)各個(gè)過(guò)流部件的幾何參數(shù)建立三維模型，并為保證湍流的充分發(fā)展，在尾水管出口處進(jìn)行了適當(dāng)延伸。應(yīng)用ICEM軟件對(duì)水輪機(jī)模型的活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪及尾水管流道分別進(jìn)行非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，同時(shí)在活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片處進(jìn)行網(wǎng)格加密，這樣可使網(wǎng)格Quality均達(dá)到0.3以上，且單元最小內(nèi)角不小于9°，以保證計(jì)算的順利進(jìn)行。水輪機(jī)流道網(wǎng)格劃分如圖2所示。

3 Realizable k-epsion模型及SIMPLEC算法

仿真采用Realizable k-epsion模型，SIMPLEC算法二階迎風(fēng)計(jì)算精度，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域使用滑移網(wǎng)格模型（SMM），壁面以無(wú)滑移壁面處理，殘差曲線達(dá)到10-3為收斂判斷標(biāo)準(zhǔn)。

SIMPLEC算法就是求解壓力耦合方程的半隱式方法，起初計(jì)算不可壓縮流動(dòng)，之后也用于可壓縮流動(dòng)計(jì)算。總的來(lái)說(shuō)，SIMPLEC算法的計(jì)算結(jié)果是循環(huán)后得到的收斂值，在計(jì)算之前，要根據(jù)定義的壓強(qiáng)和速度的修正關(guān)系得到壓力修正關(guān)系式。計(jì)算開(kāi)始后，假定一個(gè)速度場(chǎng)進(jìn)行初始化用以計(jì)算動(dòng)量方程中的系數(shù)及常數(shù)項(xiàng)，再假定一個(gè)壓力場(chǎng)用于求解動(dòng)量方程和壓力方程，由此得到改進(jìn)的速度場(chǎng)，如此循環(huán)直到收斂為止。

4 計(jì)算結(jié)果

4.1 流場(chǎng)分析

從計(jì)算結(jié)果剖面圖3、圖4可以看出，采用無(wú)副葉片轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)的內(nèi)部流場(chǎng)速度分布不均，水流流經(jīng)尾水管擴(kuò)散段的速度降梯度較明顯；而帶副葉片轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)速度分布均勻，而且在尾水管擴(kuò)散段的優(yōu)勢(shì)更加明顯，速度降很小且梯度變化不大。

在兩個(gè)剖面圖中，均有清晰渦帶存在，在尾水管的直錐段形成明顯。采用無(wú)副葉片轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)形成的尾水渦帶豎直較長(zhǎng)且粗，略存有偏心，延續(xù)到尾水管彎肘的結(jié)束段；相比較而言，采用帶副葉片轉(zhuǎn)輪形成的尾水渦帶豎直細(xì)長(zhǎng)，無(wú)明顯偏心存在，渦帶僅延續(xù)至尾水管彎肘起始段就已消散。

綜上對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用帶副葉片轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)速度分布更優(yōu)，尾水渦帶中心豎直無(wú)偏心且較小，可使水輪機(jī)工作效率得到有效提高。

4.2 壓力脈動(dòng)分析

為了分析比較水輪機(jī)采用兩種不同轉(zhuǎn)輪運(yùn)行時(shí)機(jī)組的壓力脈動(dòng)情況，在水輪機(jī)模型的流道內(nèi)布置了壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖5所示。在活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪葉片的無(wú)葉片區(qū)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)P1，在尾水管直錐段距導(dǎo)葉中心線0.45D1處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)P2。壓力脈動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT（快速傅里葉變換）而獲得壓力脈動(dòng)的頻域數(shù)據(jù)，然后對(duì)其進(jìn)行分析比較。

兩轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)頻均為5.59Hz，則無(wú)副葉片轉(zhuǎn)輪葉頻為83.85Hz，帶副葉片轉(zhuǎn)輪葉頻為167.7Hz。從頻域可以看出，通過(guò)模擬得到的數(shù)據(jù)與實(shí)際情況恰好吻合。

由時(shí)域圖可以看出，水輪機(jī)采用兩種不同的轉(zhuǎn)輪運(yùn)行時(shí)，測(cè)點(diǎn)P1與測(cè)點(diǎn)P2的壓力脈動(dòng)值均呈階梯狀。壓力脈動(dòng)的幅值測(cè)點(diǎn)P1處都高于測(cè)點(diǎn)P2處。P2處水能量減少，這是由于水流對(duì)轉(zhuǎn)輪做功，水能經(jīng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能。但無(wú)副葉片轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)的P1處比P2處的壓力幅值高80.7kPa，而帶副葉片水輪機(jī)的P1處比P2處壓力幅值高69.1kPa。由此可見(jiàn)，無(wú)副葉片轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行時(shí)的壓力降比較大，流動(dòng)不穩(wěn)定；帶副葉片轉(zhuǎn)輪運(yùn)行時(shí)壓力降就較小，流動(dòng)較均勻，如圖6、圖7所示。

將無(wú)副葉片轉(zhuǎn)輪與帶副葉片轉(zhuǎn)輪進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)點(diǎn)P1的時(shí)域圖所呈現(xiàn)的壓力幅值相差13kPa，頻域圖所呈現(xiàn)的壓力幅值相差0.6kPa；測(cè)點(diǎn)P2的時(shí)域圖所呈現(xiàn)的壓力幅值相差1.65kPa，頻域圖所呈現(xiàn)的壓力幅值相差0.08kPa。

P1測(cè)點(diǎn)的主頻為葉頻fb，其次頻為2fb高頻分量。這些區(qū)域的頻率成分主要為葉頻及其倍頻，受活動(dòng)導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪干涉影響明顯。尾水管區(qū)域主要受尾水渦帶產(chǎn)生的低頻壓力脈動(dòng)影響，如P2測(cè)點(diǎn)的時(shí)域圖所示，其壓力脈動(dòng)都表現(xiàn)出有規(guī)律的波動(dòng)特性。頻域圖中P2測(cè)點(diǎn)主要為fb、2fb低頻分量。

相比較而言，水輪機(jī)采用帶副葉片轉(zhuǎn)輪，壓力脈動(dòng)幅值較小，頻率以轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)頻、倍頻為主。

5 結(jié)語(yǔ)

本文應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行數(shù)值仿真，得到內(nèi)部流場(chǎng)云圖和壓力脈動(dòng)時(shí)域圖，將壓力脈動(dòng)時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變化得出壓力脈動(dòng)頻域圖。帶副葉片轉(zhuǎn)輪的水輪機(jī)內(nèi)部流態(tài)更優(yōu)，兩個(gè)長(zhǎng)葉片之間再增加一個(gè)短葉片，使得轉(zhuǎn)輪的葉柵稠密增加一倍，轉(zhuǎn)輪內(nèi)部水流更加貼合葉片，抑制轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的二次流動(dòng)，有效使壓力脈動(dòng)振動(dòng)幅值降低，從而使水輪機(jī)有著更好的水力穩(wěn)定性，帶副葉片轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)有更好的發(fā)展前景。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）