整流筒對水輪機性能影響的CFD仿真研究

張勁 楊栗晶 廣東水利電力職業(yè)技術學院

鄧志輝 中山市創(chuàng)想模型設計有限公司

尾水管是水輪機提高效率的重要部件，其主要作用是把轉輪出口處的水流排向下游，并回收轉輪出口處一部分水流的能量，盡最大化地利用水流的位能。水流流經(jīng)尾水管時，容易引起脫流、二次回流以及流動不穩(wěn)定的現(xiàn)象，特別是對于彎肘式的尾水管，這種現(xiàn)象更為明顯。當水輪機在偏離最優(yōu)工況運行時，進入尾水管的流動就會變得更加復雜，水流在周期性非平穩(wěn)因素及離心力的影響下產(chǎn)生偏心，出現(xiàn)回流區(qū)，使尾水管產(chǎn)生壓力脈動及振動現(xiàn)象。

隨著計算機技術的快速發(fā)展，國內外研究學者利用仿真模擬技術對水輪機進行了廣泛的研究，在改善水輪機的性能穩(wěn)定性以及效率的提高取得了重大進展。而CFD技術在計算機數(shù)值計算和圖像顯示領域，能夠準確而又真實的運用，在水輪機領域得到了廣泛的應用。本文所選用的是轉輪直徑D1=160mm的混流式水輪機，并在尾水管的直錐段內部加同軸的兩端開口的整流筒（直徑為0.894D1），通過CFD仿真技術對典型工況進行了模擬計算，擬對改善水輪機性能具有重大的意義。

1.方案設置及比較

研究對象包括前端開口小且后端開口大的錐管段，錐管段前端與水輪機轉輪出水口對接，錐管段的通道內設有與其同軸且前后開口的整流筒。如圖1所示，整流筒為中空狀且前后開口的圓柱筒。利用CFD技術考慮了“未安裝整流筒”的水輪機的最優(yōu)工況基礎上又增加了在“安裝整流筒”的條件下，對不同方案下的模擬結果進行模擬，分析其可行性以及對水輪機性能的影響。

圖1 水輪機三維模型

2.CFD數(shù)值模擬計算方法

2.1 計算方法

由于尾水管內部流動屬于有漩渦的湍流流動，湍流的流態(tài)比較復雜，存在著各種不規(guī)律和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，本文選用SST k-?湍流模型。k和?是兩個基本的未知量，與k對應的輸運方程為：

與?相對應的運輸方程為：

式中：μt—湍流粘性；Gk—湍動能k；Gb—湍動能b；YM—在壓湍流中脈動擴張的所造成的影響；C1ε、C2ε和C3ε—經(jīng)驗常數(shù)；σk—湍動能k相對應的Prandtl數(shù)；σε—耗散率?相對應的Prandtl數(shù)；SK和Sε—用戶定義的源項。

2.2 計算區(qū)域與網(wǎng)格劃分

仿真計算選用了非結構化網(wǎng)格，計算區(qū)域包括轉輪、尾水管、蝸殼、活動導葉、固定導葉、整流筒。網(wǎng)格劃分的單元數(shù)分別為：進水部分54萬，導葉135萬，轉輪135萬，尾水管54萬。水輪機、尾水管、整流筒的網(wǎng)格見圖2。

圖2 計算網(wǎng)格

3.CFD仿真結果與分析

3.1 對水輪機效率的影響

不同尾水管水輪機性能參數(shù)如表1所示，在計算進口總壓、計算水頭、進口流量、扭矩和輸出功率相同的前提下，可見安裝整流筒對水輪機效率的提高是有利的；且安裝整流筒的尾水管的計算出口總壓較未安裝整流筒的尾水管出口總壓變小，說明水流在整流筒的引導和整流作用下，使經(jīng)過整流筒水流的軸向壓力增大，靠近軸心與尾水管壁水流間的壓差減小，能夠起到抑制回流的效果。

表1 不同尾水管水輪機性能參數(shù)表

3.2 尾水管流場計算結果分析

在典型工況下，利用CFD技術對安裝整流筒前后的水輪機性能進行仿真計算，得出如圖3所示的在不同條件下的尾水管中心截面示意圖，由于該工況為典型的設計工況，入流條件很好，可以看出原型尾水管的中心截面壓力分布較均勻，入口壓力較低；安裝整流筒的尾水管的中心截面壓力梯度明顯減小，壓力分布較均勻。

不同條件下的尾水管擴散段流線分布圖如圖4所示，從圖中可以看出原型尾水管的管壁和沿軸中心兩側分布了很多漩渦，漩渦的存在和增加水流流動的擾動，使水力損失增大，對水輪機的效率有很大影響；而安裝整流筒的尾水管內直錐段的流線流暢程度有所改善。

圖3 尾水管中心截面壓力分布圖

圖4 尾水管擴散段流線分布圖

4.結論

通過在尾水管的直錐段內安裝同軸的兩端開口的整流筒，在同一典型工況下，利用CFD技術對安裝整流筒前后的水輪機性能進行仿真計算，對尾水管流場內的中心截面壓力分布以及擴散段流線的分布進行了模擬計算，主要研究結果如下：

（1）安裝整流筒的尾水管的水輪機效率較原型尾水管的水輪機效率有所提高；

（2）整流筒的安裝使壓力分布較均勻，減少了流動漩渦，使水流的紊亂程度得到改善，渦帶相對被抑制，流場的穩(wěn)定性顯著提高；

（3）整流筒的安裝縮小了軸心與周邊尾水管壁水流間的壓差，抑制了回流產(chǎn)生。