混流式水輪機全流道內(nèi)部流場C F D數(shù)值模擬研究

李穎，，李國曉，劉子祺，孫見波，雷恒，（.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封　700；.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封　700；.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州　06；.黃河水利水電開發(fā)總公司，河南濟(jì)源　907；.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州　00）

?

混流式水輪機全流道內(nèi)部流場C F D數(shù)值模擬研究

李穎1，2，李國曉3，劉子祺4，孫見波5，雷恒1，2
（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475003；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封475003；3.廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510635；4.黃河水利水電開發(fā)總公司，河南濟(jì)源459017；5.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江杭州310032）

摘要：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程和雷諾時均（N-S）方程，給定轉(zhuǎn)輪邊界條件，建立水輪機內(nèi)部流動的數(shù)學(xué)模型。通過F1uent，以HL002-LJ-410混流型水輪機為例，對水輪機全流道內(nèi)部流場進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究。獲取了水輪機在最優(yōu)工況、小開度工況和大開度工況3種典型工況下過流部件的湍流流動性能參數(shù)和流場分布。計算結(jié)果表明，對比其他兩工況下最優(yōu)工況時蝸殼靜壓、流速和尾水管流動較理想。同時表明，水輪機過流部件有一定的改造優(yōu)化空間。

關(guān)鍵詞：水輪機；CFD；全流道；數(shù)值模擬

Project SuPPorted bY Nationa1 Natura1 Science Foundation of China（No.U1304503）.

KEY W0RDS：Turbine；CFD；who1e f1ow Passage；numerica1 simu1ation

由于水輪機流道的復(fù)雜性，尤其是轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場很難通過技術(shù)實測，而傳統(tǒng)的模型試驗方法周期長、成本高。近年來隨著CFD流場分析手段的成熟，采用三維數(shù)值模擬方法對水輪機內(nèi)部復(fù)雜的湍流流動進(jìn)行研究，使得在水輪機設(shè)計中可以通過“數(shù)值模擬試驗［1-2］”取代“傳統(tǒng)模型試驗”實現(xiàn)方案篩選，并對其水力性能進(jìn)行預(yù)測。

為此，以某水電站HL002-LJ-410混流型水輪機為例，采用UNIGRAPHICS建立全流道三維數(shù)學(xué)模型，并通過F1uent進(jìn)行數(shù)值模擬計算［3-4］，研究了水輪機過流部件的性能參數(shù)和流場分布情況。

1　基本方程

水輪機內(nèi)部流體的三維湍流以連續(xù)方程和N-S方程表示［5-6］，即：

式中：ρ為密度；ui、uj為平均速度（i、j=1、2、3）；p″為等效壓力；μe為流體黏性系數(shù)。

采用k-ε標(biāo)準(zhǔn)雙方程使雷諾時均（N-S）方程封閉［5-6］：

標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型中，取Cμ=0.09，σh=1.0，C1ε=1.44，C2=1.9，σε=1.2。

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，通過GMBIT和TGRID對計算區(qū)域進(jìn)行離散。方程采用二階迎風(fēng)差分格式。采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力和速度耦合計算［7-9］。

2　湍流計算模型

2.1計算對象

某水電站裝機3×45 MW，為徑流單元引水式電站。水輪機轉(zhuǎn)輪型號為HL002-LJ-410，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為13片，固定導(dǎo)葉數(shù)為12片，活動導(dǎo)葉數(shù)為24片（對稱型），最大水頭66 m，最小水頭47 m，額定水頭54 m，轉(zhuǎn)輪直徑410 cm，額定轉(zhuǎn)速125 r/min，設(shè)計流量98 m3/s。

2.2計算區(qū)域及邊界條件

水輪機全流道包括蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管等部分，整體模型共劃分808 733個單元，302 146個網(wǎng)格節(jié)點，如圖1所示。

圖1　水輪機全流道網(wǎng)格模型圖Fig. 1 Grid of full flow passage

為了便于與后續(xù)模型試驗的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，邊界條件設(shè)定［10］：1）進(jìn)口采用速度進(jìn)口，由Qr=98 m3/s和進(jìn)口斷面直徑4.1 m，取v=7.43 m/s；2）出口采用自由出口；3）壁面邊界條件采用無滑移邊界，即u=uwa11。

水輪機各過流部件網(wǎng)格模型圖如圖2所示。

3　計算結(jié)果分析

選取水輪機最優(yōu)工況、小開度工況、大開度工況3種典型工況進(jìn)行計算。

圖2　網(wǎng)格模型Fig. 2 Grid of model

3.1蝸殼流場模擬分析

相對于小開度和大開度工況，最優(yōu)工況下（圖3（a）），從外到內(nèi)靜壓的分布由大到小，過渡較為平穩(wěn)，符合蝸殼內(nèi)的流動是按等速度矩分布的。小開度工況下（圖3（b）），靜壓整體偏大，活動導(dǎo)葉與固定導(dǎo)葉設(shè)計配合不均勻，水流對活動導(dǎo)葉沖擊不強，導(dǎo)致蝸殼本體始終處于高壓狀態(tài)。

圖3　蝸殼靜壓分布圖Fig. 3 Pressure distribution maps of volute

3.2導(dǎo)水機構(gòu)和轉(zhuǎn)輪流場模擬分析

最優(yōu)工況下（圖4（a））固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉間的流線非常平滑，幾乎沒有沖擊，固定導(dǎo)葉的尖部和活動導(dǎo)葉頭部速度有微小的變化，局部變小為零。小開度下（圖4（b）），速度在轉(zhuǎn)輪頭部有很大變化，表明水力沖擊在活動導(dǎo)葉出口與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處比較明顯，可以判斷出，轉(zhuǎn)輪與活動導(dǎo)葉在設(shè)計上配合不是很好。

圖4　導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪速度矢量分布圖Fig. 4 Velocity distribution maps of guide apparatus and runner

轉(zhuǎn)輪葉片背面靜壓分布圖見圖5。最優(yōu)工況下葉片背面基本沒有負(fù)壓區(qū)。小開度工況下負(fù)壓分布范圍很小，數(shù)值也不大，只有葉片出水邊靠近下環(huán)處出現(xiàn)零星負(fù)壓。大開度工況下葉片背面負(fù)壓區(qū)范圍很廣，而且數(shù)值比另外兩種工況下要大很多。最大負(fù)壓點出現(xiàn)在葉片與上冠、下環(huán)處的部分區(qū)域，可以判斷出大開度工況下發(fā)生空蝕的概率很大。

3.3尾水管流場模擬分析

分析流動跡線，在最優(yōu)工況下，水流從尾水管錐管進(jìn)口幾乎垂直進(jìn)入，未見明顯漩渦，有輕微的擾動，如圖6（a）。在小開度工況下，偏心渦帶較為明顯，在肘管段最為劇烈，至擴(kuò)散段已基本消失，如圖6（b）。

圖5　轉(zhuǎn)輪葉片背面靜壓分布圖Fig. 5 Pressure distribution maps of suction side of runner blade

4　結(jié)論

通過k-ε和N-S方程為模型模擬分析了不同工況下HL002-LJ-410混流型水輪機流道內(nèi)各部件壓力、速度的規(guī)律變化。研究表明，該型水輪機導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片表面壓強在最優(yōu)工況下表現(xiàn)理想。同時，流道內(nèi)其他工況存在一定的差異說明CFD能較好地反映出流道的特征，表明一方面可改善水輪機的運行區(qū)域，另一方面可對導(dǎo)水機構(gòu)和轉(zhuǎn)輪進(jìn)行優(yōu)化改造。

圖6　尾水管流動跡線圖Fig. 6 Flow pathlines of draft tube

參考文獻(xiàn)

［1］賴喜德，吉雷，李慶剛，等.基于數(shù)值試驗的水輪機改造新方法［J］.水利水電技術(shù)，2005，36（6）：81-84. LAI Xide，JI Lei，LI Qinggang，et a1. A new aPProach for retrofit of hYdrau1ic turbines with numerica1 simu1ation［J］. Water Resources and HYdroPower Engineering，2005，36 （6）：81-84（in Chinese）.

［2］胡秀成，張思青，何士華.水輪機長短葉片轉(zhuǎn)輪三維數(shù)值模擬［J］.水力發(fā)電，2009，35（6）：47-49. HU Xiucheng，ZHANG Siqing，HE Shihua. Three dimensiona1 numerica1 simu1ation for runners with 1ong and short b1ades of turbine［J］. Water Power，2009，35（6）：47-49. （in Chinese）.

［3］華曄，廖偉麗. CFD技術(shù)在管道閥門水擊計算中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2009，25（3）：72-75. HUA Ye，LIAO Wei1i. APP1ication of CFD method in ca1-cu1ation of water hammer for PiPe va1ve［J］. Power SYstem and C1ean EnergY，2009，25（3）：72-75（in Chinese）.

［4］張東利.基于CFD的HL129轉(zhuǎn)輪改造研究［J］.西北水電，2013（6）：63-66. ZHANG Dong1i. CFD-based studY on renovation of HL129 runner［J］. Northwest HYdroPower，2013（6）：63-66（in Chinese）.

［5］吳玉林，劉樹紅，錢忠東.水力機械計算流體動力學(xué)［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［6］戴會超，槐文信，吳玉林，等.水利水電工程水流精細(xì)模擬理論與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2006.

［7］黃劍峰，張立翔，王文全，等.混流式水輪機全流道三維非定常流場數(shù)值模擬［J］.水電能源科學(xué)，2009，27（1）：155-157. HUANG Jianfeng，ZHANG Lixiang，WANG Wenquan，et a1. 3-D unsteadY f1ow fie1d numerica1 simu1ation of who1e f1ow Passage in francis turbine［J］. Water Resources and Power，2009，27（1）：155-157（in Chinese）.

［8］張強，鄭源，陳會向.基于CFD的潮流能水輪機數(shù)值模擬研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2015，13（3）：518-521. ZHANG Qiang，ZHENG Yuan，CHEN Huixiang. Numerica1 simu1ation of tida1 current energY turbine based on CFD［J］. South-to-North Water Transfers and Water Science & Techno1ogY，2015，13（3）：518-521（in Chinese）.

［9］張思青，胡秀成，張立翔，等.基于CFD的長短葉片水輪機全流道湍流流動定常研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報，2011，30（5）：186-191. ZHANG Siqing，HU Xiucheng，ZHANG Lixiang，et a1. StudY on steadY f1ows of Francis turbine with 1ong and short b1ades bY CFD simu1ation［J］. Journa1 of HYdroe1ectric Engineering，2011，30（5）：186-191（in Chinese）.

［10］黃劍峰，張立翔，王文全，等.混流式水輪機三維非定常流分離渦模型的精細(xì)模擬［J］.中國電機工程學(xué)報，2011，36（21）：83-88. HUANG Jianfeng，ZHANG Lixiang，WANG Wenquan，et a1. Fine simu1ation of 3-d unsteadY f1ows in a francis hYdro-turbine on detached eddY simu1ation［J］. Proceedings of the CSEE，2011，36（21）：83-88（in Chinese）.

李穎（1981—），女，碩士，講師，研究方向為水力機械、圖形處理；

雷恒（1980—），男，碩士，副教授，研究方向為水力機械、水電站動力設(shè)備等。

（編輯李沈）

Research on CFD Numerical Simulation of the Whole Internal Flow Passage of the Mixed-Flow Turbine

LI Ying1，2，LI Guoxiao3，LIU Ziqi4，SUN Jianbo5，LEI Heng1，2
（1. Ye11ow River ConservancY Technica1 Institute，Kaifeng 475003，Henan，China；2. Engineering Techno1ogY Research Center of Sma11 Watershed ConservancY UniversitY of Henan Province，Kaifeng 475003，Henan，China；3. Guangdong Technica1 Co11ege of Water Resources and E1ectric Engineering，Guangzhou 510635，Guangdong，China；4. Ye11ow River Water Resources and HYdroPower Deve1oPment CorPoration，JiYuan 459017，Henan，China；5. Nationa1 Rura1 E1ectrification Institute，Hangzhou 310032，Zhejiang，China）

ABSTRACT：According to the standards k-ε doub1e equations and ReYno1ds averaged（N-S）equation，the boundarY conditions of the given runner，the estab1ishment of mathematica1 mode1 of interna1 turbine f1ow. Throughout the F1uent，with the examP1e HL002-LJ-410 mixed f1ow tYPe turbine，the interna1 f1ow fie1d of Francis turbine runner was simu1ated. Draws a turbu1ent f1ow Performance Parameters and the distribution of f1ow fie1d of hYdrau1ic turbine comPonents in the oPtima1 condition，the sma11 oPening condition and 1arge oPening conditions have a tota1 of 3 kinds of tYPica1 oPeration conditions. The ca1cu1ation resu1ts show that the vo1ute static Pressure，ve1ocitY and draft tube f1ow of the oPtima1 condition are better，which comPared to the other two conditions. At the same time a1so shows that the hYdrau1ic turbine comPonents have certain sPace to the transformation and oPtimization.

文章編號：1674-3814（2016）04-0126-04中圖分類號：TV734.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（No.U1304503）。

收稿日期：2015-08-26。

作者簡介：