CFD應(yīng)用于液力透平葉輪設(shè)計(jì)與應(yīng)用

紀(jì)運(yùn)廣

摘要：對(duì)CFD技術(shù)正廣泛用于水力機(jī)械特性研究和應(yīng)用進(jìn)行系統(tǒng)介紹，針對(duì)液力透平關(guān)鍵部件葉輪在能量回收，透平發(fā)電中起到的關(guān)鍵作用，并對(duì)高揚(yáng)程液力透平葉輪進(jìn)行設(shè)計(jì)分析和液力透平葉輪的改進(jìn)與發(fā)展做出相應(yīng)總結(jié)與建議。

Abstract： The widely use of CFD technology in research and application of hydraulic mechanical property are systematically introduced， corresponding conclusions and recommendations are made for design and analysis and improvement and development of the hydraulic turbine impeller， which is the key part in the energy recovery， and plays a key role in the turbine power generation.

關(guān)鍵詞：CFD技術(shù)；液力透平；葉輪；綜述

Key words： CFD technologies；hydraulic turbine；impeller；review

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）04-0106-04

0 引言

液力透平是針對(duì)高壓余能進(jìn)行能量回收并具有長(zhǎng)遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)效益的節(jié)能裝置。伴隨國(guó)家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，由于存在能源利用率低下、資源消耗過(guò)渡的現(xiàn)狀，節(jié)能裝置的開(kāi)發(fā)利用作用更較突顯出來(lái)。近年來(lái)，伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟和發(fā)展[1]，在能量回收領(lǐng)域關(guān)于液力透平設(shè)計(jì)的發(fā)展有了較大突破，得益于人們對(duì)CFD技術(shù)的借鑒和應(yīng)用，人們已從原始數(shù)據(jù)測(cè)量和真機(jī)實(shí)驗(yàn)延伸到數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)上，為水力設(shè)計(jì)帶來(lái)更有效的研究手段。設(shè)計(jì)人員伴隨CFD技術(shù)的進(jìn)一步完善，可以通過(guò)流場(chǎng)特性分析得到的數(shù)據(jù)，針對(duì)液力透平特點(diǎn)進(jìn)行有效修改，完善透平裝置的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，豐富了液力透平設(shè)計(jì)的理論和辦法。

1 CFD技術(shù)概述

1.1 CFD技術(shù)介紹

CFD技術(shù)是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）的簡(jiǎn)稱[2]，CFD技術(shù)的迅速崛起與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展密切相關(guān)，研發(fā)人員經(jīng)過(guò)幾十年的探索與開(kāi)發(fā)，使得今天CFD技術(shù)已廣泛應(yīng)用到科學(xué)研究的諸多領(lǐng)域中，是一門在包含流體力學(xué)分析、數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)圖形處理分析的綜合技術(shù)[3]。其基本原理是利用能量守恒偏微分方程求解流體運(yùn)動(dòng)的基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)值模擬。從而通過(guò)分析計(jì)算結(jié)果來(lái)近似模擬模型流動(dòng)區(qū)域的流體流動(dòng)情況。CFD技術(shù)由4部分構(gòu)成，即：數(shù)值建模、網(wǎng)格劃分、CFD求解和后處理。數(shù)值建模是CFD技術(shù)的基礎(chǔ)，在液力透平設(shè)計(jì)中以基本參數(shù)為參考建立幾何模型并計(jì)算分析模擬結(jié)果得到了直觀的參數(shù)分析因素，能夠真實(shí)模擬液力透平內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜的流動(dòng)情況，并提供可視化效果，使其科研人員更方便的進(jìn)行流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)分析，完善設(shè)計(jì)中的缺陷。

在流體流動(dòng)問(wèn)題的研究中，新興的CFD技術(shù)與過(guò)去傳統(tǒng)理論分析分析方法、實(shí)驗(yàn)校核測(cè)量分析方法相結(jié)合組成一套完整體系[4]。理論分析方法計(jì)算結(jié)果雖具有普遍性，但通常是在經(jīng)驗(yàn)公式和理論的基礎(chǔ)上獲得的結(jié)果，因此所得結(jié)果不能保證在各種情況下結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)測(cè)量方法通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果驗(yàn)證問(wèn)題，所得到的試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)有效，從而為理論分析和數(shù)值方法的研究奠定了基礎(chǔ)。然而，試驗(yàn)多受到外界條件限制，所得結(jié)果很難與實(shí)驗(yàn)理想目標(biāo)相統(tǒng)一。而CFD技術(shù)恰好能有效的解決兩者缺陷并在有效時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的研究和分析，并能精確的描述設(shè)備與過(guò)程，解決了實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式的單一性。

利用CFD研究流體運(yùn)動(dòng)，對(duì)液力透平內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行分析和研究，是泵行業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向，但目前研究方法尚不成熟，且應(yīng)用到工程實(shí)際中需要一定周期，因此開(kāi)展此項(xiàng)工作必須建立在總結(jié)以往的設(shè)計(jì)方法、經(jīng)驗(yàn)和科研成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合試驗(yàn)研究并理論聯(lián)系實(shí)際，反復(fù)研究整理才能得到合理的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法。

1.2 CFD技術(shù)商業(yè)性軟件

近些年，CFD技術(shù)的迅速發(fā)展，使得其在流體力學(xué)中應(yīng)用得到廣泛應(yīng)用，人們意識(shí)到在處理相關(guān)問(wèn)題時(shí)，它的作用不容忽視。常用的CFD軟件有兩類，一類是以有限體積法為核心，如FLUENT、STAR-CD、PHOENICS，另一類是以有限元法為核心，如FIDAP。還有的是將兩類方法結(jié)合在一起，如CFX-TASCflow采用基于有限元理論的有限體積法。目前在水力機(jī)械中使用最廣泛的CFD軟件是FLUENT、CFX—TASCflow和STAR-CD[5]。

而CFD技術(shù)經(jīng)過(guò)四十年發(fā)展，出現(xiàn)多種數(shù)值解法。FEM的并行是當(dāng)前和將來(lái)應(yīng)用的一個(gè)不錯(cuò)的方向。對(duì)于水力機(jī)械，還可計(jì)算得到任意兩個(gè)過(guò)水?dāng)嗝骈g的水力損失、泵的揚(yáng)程，預(yù)測(cè)葉輪上的扭矩及泵的水力效率。而CFD技術(shù)精度問(wèn)題一直困擾研究人員，準(zhǔn)確判斷其準(zhǔn)確性和正確性是有待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。因在處理同一物理問(wèn)題上所采用的建立幾何模型和計(jì)算方法的不同，而得到不同的計(jì)算結(jié)果。

在處理流體流動(dòng)問(wèn)題上，商業(yè)軟件的廣泛開(kāi)發(fā)應(yīng)用極大的推動(dòng)了針對(duì)泵技術(shù)研究和優(yōu)化問(wèn)題，有效的縮短在實(shí)驗(yàn)研究階段因?qū)Ρ脙?nèi)部流場(chǎng)分析數(shù)據(jù)手段不足而限制研究進(jìn)度，進(jìn)而增強(qiáng)設(shè)計(jì)研發(fā)人員的主觀能動(dòng)性。

1.3 CFD技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

目前對(duì)液力透平的研究，仍多以泵反轉(zhuǎn)式透平為主，由于反轉(zhuǎn)泵效率低于正常泵工作效率，因而泵的結(jié)構(gòu)優(yōu)化顯得尤為重要。國(guó)內(nèi)學(xué)者楊軍虎、袁亞飛等在泵反轉(zhuǎn)做透平以及結(jié)合CFD技術(shù)對(duì)液力透平的研究為泵技術(shù)的理論成果提供了大量技術(shù)資料與經(jīng)驗(yàn)，其中通過(guò)對(duì)葉片泵增加導(dǎo)葉和優(yōu)化葉片等措施，實(shí)現(xiàn)了不同工況條件的液力透平效率的改善。國(guó)外學(xué)者則通過(guò)對(duì)水輪機(jī)的研究，利用CFD技術(shù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)對(duì)液力透平及透平泵的改進(jìn)提出了可貴意見(jiàn)。

由于CFD技術(shù)可以結(jié)合目前三維軟件模型進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)三位實(shí)體模型的網(wǎng)格劃分與求解，在CFD后處理軟件中可以通過(guò)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析與可視化操作，將液力透平的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行全新的系統(tǒng)升級(jí)，改善了以往實(shí)驗(yàn)型結(jié)果分析單一性，大大縮短了在設(shè)計(jì)過(guò)程中的時(shí)間與物力人力消耗。王福軍在CFD軟件原理與應(yīng)用中詳細(xì)介紹了CFD技術(shù)在當(dāng)前各領(lǐng)域的運(yùn)用與擴(kuò)展。袁壽其、劉厚林等學(xué)者通過(guò)總結(jié)泵類流體機(jī)械研究進(jìn)展與展望，對(duì)現(xiàn)代泵理論的研究具有重要意義[6]。

目前在湍流模型的選擇中，F(xiàn)LUENT軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)的k～ε模型、k～ω模型、雷諾應(yīng)力模型（RSM），不同的湍流分析應(yīng)選擇則合適的湍流模型[7]。而在流體分析計(jì)算中由于計(jì)算流體力學(xué)流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究難度和耗費(fèi)均比較大，因此在有些使用過(guò)程中不能對(duì)計(jì)算結(jié)果和計(jì)算精度做出深入研究，而是修正實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，所以使CFD計(jì)算的準(zhǔn)確缺乏可信度。另外在CFD使用過(guò)程中缺少認(rèn)識(shí)和深入理解，無(wú)法針對(duì)軟件缺陷提出可靠性建議，在軟件二次研發(fā)上不能有所突破。目前使用的網(wǎng)格主要有結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及混合網(wǎng)格等[8]。并且在劃分網(wǎng)格的使用中，針對(duì)非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的流體粘性解決辦法不能有效解決，是當(dāng)前CFD技術(shù)應(yīng)用面臨的困難問(wèn)題。

2 葉輪設(shè)計(jì)分析

2.1 建立方程和建模

第三步如圖3所示進(jìn)行網(wǎng)格化分，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，其節(jié)點(diǎn)為120598，單元數(shù)有153386，并在ICEM CFD中進(jìn)行邊界設(shè)置，主要以進(jìn)出口與壁面為主。

完成相關(guān)操作后，在FLUENT中進(jìn)行計(jì)算求解，本模型選擇穩(wěn)定性好與計(jì)算精度高的標(biāo)準(zhǔn)k～ε模型，選擇介質(zhì)為清水，給定進(jìn)口速度為4.5m/s，進(jìn)口初始?jí)毫?.8MPa，出口壓力為10MPa。

如圖4所示設(shè)置求解參數(shù)，并選擇SIMPLE算法，初始化流場(chǎng)參數(shù)，保存文件并進(jìn)行迭代計(jì)算，觀察分析結(jié)果并保存數(shù)據(jù)。

由以上迭代殘差圖分析可得，計(jì)算500步后各項(xiàng)數(shù)據(jù)大致趨于收斂。如圖5～圖7所示分別為葉輪內(nèi)部速度大小與矢量，葉輪內(nèi)部動(dòng)壓力和總壓力分布情況。從圖7中分析可得，葉輪內(nèi)部流速均勻，未產(chǎn)生壓力過(guò)大產(chǎn)生的渦流現(xiàn)象。

2.3 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)高揚(yáng)程液力透平葉輪數(shù)值建模分析，得出在設(shè)計(jì)高揚(yáng)程液力透平過(guò)程中，需要對(duì)葉輪模型的葉片形狀、進(jìn)出口安放角、葉片厚度做出合理設(shè)計(jì)[11]，并通過(guò)改善液力透平模型的進(jìn)出口角度以及葉輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)液力透平回收效率，改善高揚(yáng)程液力透平性能[12]。

進(jìn)行液力透平設(shè)計(jì)必須要對(duì)內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行分析，通過(guò)觀測(cè)表明，水力機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)在多數(shù)情況下處于湍流狀態(tài)，流場(chǎng)由各種不同尺度的湍流渦疊合而成[13]。這些渦具有旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，渦的大小及旋轉(zhuǎn)軸的方向分布是隨機(jī)的[14，15]。由于湍流的復(fù)雜性，很難通過(guò)試驗(yàn)來(lái)掌握水力機(jī)械內(nèi)部的湍流狀態(tài)，而近幾年快速發(fā)展起來(lái)的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）理論和方法，給我們認(rèn)識(shí)水力機(jī)械湍流流動(dòng)提供了一種新的途徑，對(duì)揭示水力機(jī)械流場(chǎng)流動(dòng)特性與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性間的復(fù)雜關(guān)系，具有潛在的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)CFD技術(shù)發(fā)展格局，更多面向解決工程實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題，優(yōu)化計(jì)算系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬和流體分析運(yùn)算有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的優(yōu)化，完成對(duì)工藝設(shè)備的優(yōu)化升級(jí)，在液力透平研究中，實(shí)現(xiàn)節(jié)能裝置的產(chǎn)業(yè)信息化，提升二次能源利用率；建立高效、實(shí)用、精確、便捷的復(fù)雜網(wǎng)格化分技術(shù)，實(shí)現(xiàn)云計(jì)算在CFD技術(shù)中的有效應(yīng)用，將是未來(lái)CFD技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；發(fā)展CFD集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)其與CAD/CAM/SOLIDWORKS/PORE無(wú)縫銜接，建立一體化平臺(tái)，針對(duì)不同物理量的分析運(yùn)算建立不同分析模塊，提高應(yīng)用效率；為了提高CFD技術(shù)在液力透平研究與設(shè)計(jì)的應(yīng)用，應(yīng)逐步建立評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)體系。

3 結(jié)語(yǔ)

CFD技術(shù)發(fā)展趨于多元化、高精度、高適應(yīng)性、集成化與模塊化、建立統(tǒng)一的應(yīng)用發(fā)展平臺(tái)勢(shì)在必行，在計(jì)算機(jī)飛速發(fā)展大勢(shì)影響下，CFD技術(shù)工程實(shí)際應(yīng)用在不斷投入實(shí)踐，是為社會(huì)實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的科研實(shí)踐提供有效措施，逐步帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)信息化處理產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展。通過(guò)對(duì)高揚(yáng)程液力透平葉輪設(shè)計(jì)分析得出在針對(duì)特定工況要求下液力透平關(guān)鍵部件研究為改善能量回收效率及透平發(fā)電中有建設(shè)性論據(jù)，為流體分析計(jì)算提供良好的解決方案不斷優(yōu)化科研實(shí)踐中難題。

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