軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片周圍流場的數(shù)值模擬

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片周圍流場的數(shù)值模擬

軸流導(dǎo)向噴霧機(jī)具有單帶流量大、高效運(yùn)營區(qū)廣、不同場景適應(yīng)性強(qiáng)、噴葉功能等優(yōu)點(diǎn)。因此，它在中國許多低水集水區(qū)中得到了廣泛應(yīng)用。從目前大多數(shù)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)運(yùn)行情況來看,氣蝕情況普遍存在,并嚴(yán)重影響了機(jī)組的運(yùn)行狀況。轉(zhuǎn)輪的氣蝕現(xiàn)象是一個復(fù)雜的水力學(xué)現(xiàn)象,它影響轉(zhuǎn)輪室內(nèi)水流流態(tài),導(dǎo)致氣蝕發(fā)生部位損毀,并誘發(fā)機(jī)組振動、噪聲,水能轉(zhuǎn)換效率降低等一系列問題。隨著CFD的迅猛發(fā)展,使對復(fù)雜流場內(nèi)部流體流態(tài)分析成為可能。本文基于CFD,通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型來模擬軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)內(nèi)部流場,得到其流動規(guī)律和水力特性,進(jìn)而分析氣蝕機(jī)理。1gk-湍流方程計(jì)算流體力學(xué)中的數(shù)學(xué)控制方程主要包括動量方程、連續(xù)性方程、RNGk-ε湍流方程,通過對以上方程的求解,可以得到流體運(yùn)動產(chǎn)生的壓力分布、速度分布,進(jìn)而得到模擬轉(zhuǎn)輪體周圍的流體運(yùn)動規(guī)律。數(shù)值計(jì)算采用有限體積方法,控制方程均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。1.1控制方程式水輪機(jī)流場計(jì)算采用RNGk-ε湍流模型,其連續(xù)方程、動量方程和k、ε方程表示如下。連續(xù)方程動量方程k方程:ε方程:1.2流場模擬驗(yàn)證基于三維N-S方程組,并結(jié)合RNGk-ε湍流模型組成軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)內(nèi)部流場模擬的控制方程組,對其內(nèi)部速度場、壓力場、各相分布進(jìn)行數(shù)值模擬。將數(shù)值模擬得出的總體及局部速度場、壓力場與現(xiàn)場實(shí)物進(jìn)行對比分析,從而驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性及可行性。為真實(shí)體現(xiàn)轉(zhuǎn)輪普遍運(yùn)行狀態(tài)下的模擬結(jié)果,計(jì)算工況選擇為額定工況,計(jì)算過程采用壓力控制,算法采用SIM-PLEC算法,用來實(shí)現(xiàn)壓力與速度的耦合。流體與固壁接觸的面都采用無滑移邊界條件,近壁面采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)。兩相流計(jì)算時采用兩相混合模型,第一相為水,第二相為空氣,定義初始流場速度邊界空氣體積分?jǐn)?shù)為0。初始入口邊界為速度入口,出口邊界類型為outflow,流場迭代開始于入口邊界。1.3計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分針對四川境內(nèi)某原型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)在設(shè)計(jì)工況下進(jìn)行三維定常流動進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑為8.3m,葉片額定轉(zhuǎn)速nr=90.9r/min(俯視順時針方向)。計(jì)算區(qū)域包括活動導(dǎo)葉出口、扭曲葉片、轉(zhuǎn)輪室、泄水錐、尾水管直錐段,為加快計(jì)算速度,尾水管直錐段只選取其高度的1/5作為計(jì)算區(qū)域。由于模型結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此采用適應(yīng)性較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分,整個網(wǎng)格單元數(shù)量為274428個,如圖1所示。由于機(jī)組在額定工況下運(yùn)行時間較長,可以更好地反映氣蝕發(fā)生時機(jī)組所處的普遍工況,因此選定軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)額定工況作為計(jì)算工況。額定水頭Hr=30m,額定流量Qr=611.24m3/s,水輪機(jī)額定出力為168.4MW,轉(zhuǎn)輪葉片安裝角為φ0=11°。為了更好地體現(xiàn)數(shù)值模擬在流體計(jì)算中與實(shí)際情況相契合的程度,本文分別利用單相流模型與多相流氣液兩相混合模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,設(shè)置連續(xù)方程、動量方程、湍動動能及湍動能耗散率等變量的殘差值低于10-4為迭代計(jì)算收斂的標(biāo)準(zhǔn),迭代次數(shù)為1000次。2結(jié)果分析2.1葉片壓力分布圖2為單相流模型中葉片壓力分布圖。從圖2(a)中可以看出,在單相流模型中葉片正面壓力最高點(diǎn)出現(xiàn)在葉片進(jìn)口邊緣,且各個葉片壓力分布對稱。水流均勻地從導(dǎo)葉出口流經(jīng)轉(zhuǎn)輪葉片,葉片以φ0=11°安裝角與水流相接觸,壓力由進(jìn)口端向出水口遞減,符合轉(zhuǎn)輪室內(nèi)水流流動規(guī)律。圖2(b)中葉片背面負(fù)壓最小壓力出現(xiàn)在進(jìn)口靠近輪轂側(cè)邊緣處,由于四周進(jìn)水流速均勻且對稱,所以葉片壓力分布呈軸對稱分布。可以看出,由于葉片進(jìn)水端的流體流速較大,相應(yīng)進(jìn)口的壓力損失及繞流引起的壓降增大,實(shí)際情況還要考慮流體圓周速度引起的離心運(yùn)動。葉片背面壓力最低處出現(xiàn)負(fù)壓,水流在此處出現(xiàn)繞流,已經(jīng)達(dá)到氣蝕產(chǎn)生的臨界流態(tài)。2.2兩相流計(jì)算結(jié)果對比圖3為利用氣液兩相混合模型計(jì)算得出的葉片背面壓力分布圖和空氣相分布圖。從圖中可以看出,不論是單相流模型還是兩相流模型,模擬出的計(jì)算結(jié)果顯示壓力最低點(diǎn)均出現(xiàn)在葉片進(jìn)口外緣處。在單相流計(jì)算結(jié)果中,葉片進(jìn)口背面外緣的壓力已經(jīng)降到低于水的汽化壓力,容易在此部位發(fā)生氣蝕,模型中沒有關(guān)于空氣相的控制方程,因此壓力會一直降低直至負(fù)壓。而在兩相流計(jì)算結(jié)果中,葉片上最低壓力高于單相流計(jì)算結(jié)果中的最低壓力值,這是因?yàn)闅怏w相的加入,使繞流嚴(yán)重區(qū)域中的水流產(chǎn)生氣泡,而不致負(fù)壓過大。在其余壓力高于汽化壓力的地方,兩種模型所得到的計(jì)算云圖中壓力分布是一致的,這也間接驗(yàn)證了本文所采用的兩相流計(jì)算的可靠性。圖3(c)顯示了兩相流計(jì)算中葉片背面氣體含量分布,從圖中可以明顯看出,葉片進(jìn)口外緣尖端附近有空泡產(chǎn)生,氣蝕現(xiàn)象出生的臨界點(diǎn)就在此區(qū)域中,但空泡覆蓋面積較小,因此氣蝕發(fā)生的區(qū)域也僅限于此。在實(shí)際情況中,一般負(fù)壓區(qū)對應(yīng)氣體相體積分?jǐn)?shù)最大的區(qū)域,同時也對應(yīng)葉片上空化空蝕最可能發(fā)生的區(qū)域,此區(qū)域的負(fù)壓低于水體汽化壓力就要發(fā)生氣蝕。由氣相分布圖可知,不僅葉片進(jìn)口外緣氣體體積分?jǐn)?shù)較大,葉片邊緣也出現(xiàn)了較高的空氣含量分布,這種現(xiàn)象是由于轉(zhuǎn)輪葉片邊緣與轉(zhuǎn)輪室的間隙較小造成流體流速升高,進(jìn)而引起間隙部位壓力下降造成的。實(shí)際觀察中發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)輪氣蝕一般發(fā)生在葉片靠近轉(zhuǎn)輪體的進(jìn)水邊(圖4),這與數(shù)值計(jì)算出的葉片低壓分布區(qū)域是相符的。3氣蝕部位分布本文基于CFD,利用FLUENT對軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)