基于固液雙介質(zhì)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)雙葉柵流場研究

劉福春 張婷 劉超 李翔宇

摘?要：基于Pro/E模型，Gambit網(wǎng)格，采用固液兩相流介質(zhì)，用計(jì)算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）方法分析了某電站導(dǎo)水機(jī)構(gòu)雙列葉柵的位置關(guān)系是否會導(dǎo)致水輪機(jī)水力損失的變化;對雙葉柵5種位置關(guān)系的壓力、速度分布及水力損失進(jìn)行水力計(jì)算，證明雙葉柵的位置關(guān)系會對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流場產(chǎn)生較大作用。CFD計(jì)算結(jié)果表明：在最優(yōu)工況和額定工況下，雙葉柵相對位置為較大時，水力損失較小。

關(guān)鍵詞：固液兩相流;導(dǎo)水機(jī)構(gòu);流場分析;設(shè)計(jì)優(yōu)化

1 緒論

對現(xiàn)有文獻(xiàn)進(jìn)行總結(jié)發(fā)現(xiàn)，水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉的位置分布、導(dǎo)葉數(shù)量、導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角、導(dǎo)葉的正負(fù)曲率都對水輪機(jī)性能有影響[1-5]。但在現(xiàn)有的水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的仿真模擬研究中，對于活動導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉相對位置對導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流暢的研究較少，也不能普遍適用于所有現(xiàn)存的水輪機(jī)，所以對于某新建電站的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)流場仿真模擬仍具有實(shí)際意義[6-18]。本文對某電廠混流式機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行CFD計(jì)算，希望能對機(jī)組運(yùn)行中的水輪機(jī)水力振動及損失有所參考。

2 計(jì)算方法和流動模型

2.1 水輪機(jī)的基本參數(shù)

轉(zhuǎn)輪直徑1.7m，最大水頭238m，最小水頭220m，額定水頭231m;導(dǎo)葉20個。泥沙顆粒直徑為0.5mm，體積濃度為5%。

2.2 計(jì)算模型及網(wǎng)格

使用Pro/E軟件對水輪機(jī)由蝸殼進(jìn)口至尾水管出口進(jìn)行三維建模。模型如圖1、2所示。用前處理軟件Gambit進(jìn)行混合網(wǎng)格劃分。

2.3 水流控制方程

2.3.1 流體相的基本方程

2.3.2 固粒相的基本方程

固粒相粒徑為Dpk的粒子所滿足的連續(xù)方程和動量方程為：

對連續(xù)方程和動量方程在貼體坐標(biāo)下采用有限體積法在模型中進(jìn)行分割。控制方程分割時，壓力相采用二階中心差分格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，采用壓力速度耦合算法[19]。

2.4 邊界條件給定

進(jìn)口邊界為蝸殼進(jìn)口截面流量給定，出口邊界為尾水管末端截面。模型外壁為組合封閉面，內(nèi)部為流場，模型壁面區(qū)域使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)法處理[19]。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 導(dǎo)葉的分布關(guān)系及導(dǎo)葉相對水力損失公式

將水輪機(jī)模型建立坐標(biāo)系，將導(dǎo)水機(jī)構(gòu)重心作為坐標(biāo)原點(diǎn)，將模型的右、前方向分別作為作為X、Y軸，與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)垂直方向作為Z軸，根據(jù)導(dǎo)葉間隔18°，固定導(dǎo)葉不動，將活動導(dǎo)葉沿Z軸依次旋轉(zhuǎn)3.6°，得到以下方案。方案1雙葉柵位置為0°;方案2雙葉柵位置為3.6°;方案3雙葉柵位置為72°;方案4雙葉柵位置為10.8°;方案5雙葉柵位置為14.4°。

根據(jù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的水力學(xué)特性，水力損失如下式所示：

3.2 結(jié)果與分析

本文分別對額定工況和最優(yōu)工況工況進(jìn)行了計(jì)算。從導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)口到出口，壓力、速度分布比較均勻，流線清晰，壓力和速度呈負(fù)相關(guān)，壓力在逐漸降低，而速度在升高。

CFD計(jì)算后，對五種方案下壓力和流速場分析表明，雙葉柵擺放位置不同對流場影響較大。在雙葉柵位置為14.4°附近時水力損失較小，壓力場和速度場均勻分布，不容易產(chǎn)生壓力突變區(qū)，一定程度上減弱了空化空蝕。

4 結(jié)論

（1）本文對某電站水輪機(jī)在兩種典型工況下進(jìn)行了CFD仿真計(jì)算，得到了不同狀態(tài)下的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)壓力、速度場及水力損失。

（2）雙葉柵相對位置較小時容易使壓力場局部增大，容易導(dǎo)致導(dǎo)葉局部磨損。所以，建議在一定程度上擴(kuò)大分布圓的半徑，降低導(dǎo)葉高度，盡量增大導(dǎo)葉的開度。

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作者簡介：劉福春（1990—?），男，漢族，山東德州人，碩士研究生，中級工程師，流體機(jī)械及其自動化;張婷（1990—?），女，漢族，山東聊城人，碩士研究生，中級工程師，電氣工程及其自動化;劉超（1989—?），男，漢族，河北保定人，碩士研究生，中級工程師，能源與動力工程;李翔宇（1992—?），女，漢族，河北張家口人，碩士研究生，助理工程師，電氣工程。