基于CFX的噴嘴噴針流道的水力優化

鄭發平，宋文武，馮凌寒，程 飛

（1. 西昌學院工程技術學院，四川 西昌 615013；2. 西華大學能源與環境學院，成都 610039）

1 引言

我國是一個水力資源相當豐富的國家，水能又是清潔可再生能源，開發水能是實現可持續發展戰略的重要條件。但我國水力資源又相差很大，特別是西南地區多山區河流，這些河流的特點就是水頭高，流量小，因而，沖擊式水輪機有著很大的發展前途，該機型的特點是結構簡單、造價較低，在較大的流量出力范圍內具有較高的效率。目前，我國沖擊式水輪機發展水平還較低，特別是高水頭、大容量、多噴嘴形式的沖擊式水輪機與國外先進水平相比還有較大距離。噴嘴及噴針的幾何流道不僅影響噴嘴內部流場，而且也會影響射流情況和能量的轉換。因此，噴嘴幾何流道對水輪機的影響是不可忽視的，對其進行研究對水輪機的性能有著極其重要的意義。

2 數值模擬

2.1 研究對象

本文結合傳統的三種噴嘴流道進行數值分析比較，并自行開發設計了兩種噴嘴與噴針流道幾何型線，以達到噴嘴幾何流道優化的目的。

研究對象相關參數如表1所示。

圖1 噴嘴流道幾何簡圖

表1 噴嘴噴針流道主要參數

2.2 控制方程

牛頓流體非定常流動控制方程的雷諾時均形式如下：

連續性方程

動量方程

式中： ui——平均速度；

cμ——有效粘性系數，表示分子粘性系數μ與湍流渦粘性系數之和。

本次非定常計算采用標準的k-ε湍流模型：

方程（3）、（4）中，Gk表示由層流速度梯度而產生的湍流動能，Gb是由浮力產生的湍流動能，YM代表可壓湍流中脈動擴張的貢獻，Sk和Sε表示用戶自定義的源條件。

2.3 數值模擬

為了更好地比較各流道，設計流場出口直徑均為122.8mm。在WORKBENCH中，進行建模并進行網格劃分，計算區域和網格劃分如圖2所示。

2.4 邊界條件

設置進口速度為9m/s，出口相對壓力為0。在求解控制器中設置 Timescale Control為 Physical Timescale，設置Physical Timescale 為0.01[s]。

圖2 流場模型及網格劃分

3 計算結果及分析

3.1 流場計算結果比較分析

對模型進行CFX數值模擬后，對結果進行分析由能量方程V2/2g+P/γ+z=c進行校核。設△E為進出口的能量變化，5種方案的能量變化比較結果如下表：

表2 進出口能量變化

5種方案中，方案一的損失最小，從能量損失來看，此為最優方案，而方案四的損失最大，將不再對方案四繼續分析。將方案二，方案三，方案五進行比較，找出較優的兩種方案與方案一構成較優的三種方案，達到優化三種傳統方案的目的。

圖3中，(a)，(b)，(c)分別為方案二，方案三和方案五的出口壓力，速度和流線分布圖。模擬進口速度均設置為9m/s，通過CFX模擬計算得到三種方案的出口平均速度，方案二為91.9m/s，方案三為105.3m/s，方案五為95.7m/s。

3.2 結論

通過運用CFX軟件，將不同尺寸的流道進行了數值模擬分析及比較，可以得出傳統的三種方案中，從能量變化上看，方案一是最優的，而方案二和三的損失接近，為得到較優的三種方案，比較結合出口參數分布云圖和流線分布可以得出，方案二（圖3a）參數分布較差，有明顯的梯度變化，而方案三（圖3b），方案五（圖3c）的分布比較均勻。在相同的速度進口下，方案五的出口速度也高于方案二，這也說明了方案五的能量損失較小。從加工制造和經濟性角度考慮，圖1和表1所示，方案五的噴管直徑b較方案二的小，方案五噴管過度圓弧半徑R和噴嘴過度圓弧半徑r都比方案二的大，噴管直徑b較小節約了材料，過度圓弧半徑較大降低了加工難度。綜上所述，傳統的三種方案中的方案二應該被方案五替代，從而優化了傳統方案。

圖3 出口壓力、速度及流線分布計算結果

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