基于CFD的水輪機內部流場數值模擬與分析

湯 亮，徐晨薇

（湖北工業大學機械工程學院，湖北 武漢430068）

水輪機是一種廣泛應用于給水排水工程、工業工程、航空航天和航海工程、能源工程、車輛工程等的通用水利機械。在傳統的水輪機研發過程中，水利設計模型往往要經過多次性能試驗，改進和提高水輪機的性能及效率成為研發的重要目標［1］。CFD技術是流體力學研究除理論、實驗之外的另一種重要手段，其分析作用減少了大量實驗，也節省了大量的財力和物力，帶來了可觀的社會效益和經濟效益［2］。本文建立了以二維粘性數值模擬軟件為基礎的水輪機流體機械模型，采用標準k－ε湍流模型和simple算法對水輪機內部流場進行數值模擬，較為確切地分析了流場分布特征，并使用傳統的理論預測了水輪機的水利效率，將預測值與實驗值進行對比。

1 流體流動的控制方程

1.1 守恒控制方程

數值模擬計算可以看成是對方程的求解，而方程是經過離散來進行求解的，那么對于流體的流動問題，都要求解質量和動量守恒方程，當流動是湍流時，還要解附加湍流運動方程，因為水輪機內部流場變化比較復雜，所以用數值模擬的方式預測水輪機內部流動特性，對設計高效可靠的水輪機、評價和改造現有水輪機的性能是十分必要的。要保證模擬計算的可靠和有效，需要充分了解和掌握各個數學模型，選擇準確適合的數學計算模型顯得尤為關鍵。流體在水輪機內的運動可看做恒溫牛頓流體的不可壓縮湍流運動，即密度和粘度為常量，在用計算流體力學分析水輪機內部流動規律時，要通過數值計算模擬整個流道流體的真實流動情況，守恒方程具體形式如下［3－4］:

式中:Q ＝ ［q1，q2，q3，...，q6］T；Fi為對 流通量矢量；D為粘性矢量；S為源項。具體為:

其中

其中E＝e＋u1u2/2＋k和H ＝h＋u1u2/2＋k分別是滯止內能和滯止焓，k是湍動能。

1.2 湍流模型方程

標準k－ε湍流模型中液相湍動能和耗散率方程可表示為［5］:

式中:μt為湍流粘性系數，

Gk為由平均速度梯度所引起的湍動能的增量［5］

c1＝1.44；c2＝1.92；cμ＝0.99；σk＝1.0，σε＝1.33。σk和σε分別為湍動能和湍流耗散率對應的普朗特常數［5］。

2 計算模型

2.1 水輪機物理結構參數

水輪機主要由旋轉的葉輪和靜止的蝸殼兩部分組成，在本研究中通過前處理Gambit軟件建立二維水輪機葉輪流場區域和蝸殼壓水區域的幾何模型，并對其進行網格劃分。葉輪部分單元數為56 614個，蝸殼流動區域單元數為33 827個。葉輪進口直徑為70mm，葉輪出口直徑為70mm，葉片數為5，葉片進口安放角為20°，葉片厚度為3mm，出口擴散角度為8°。流體從葉輪中央的圓形進口沿徑向均勻進入葉輪，經過旋轉葉片作用后得到能量，從蝸殼出口排出（圖1）。

圖1 計算區域幾何模型

2.2 數值模擬和邊界條件的確定

流場使用基于有限元法的Fluent求解軟件進行數值模擬。為了研究葉輪內部流場，網格的劃分要更精確些，前處理中的二維幾何模型使用三角形網格進行劃分，數值模擬過程中使用二維單精度求解器。首先選擇合適的邊界條件來模擬實際工況，水入口處為速度入口邊界、水出口邊界條件為自由出口，壁面邊界條件設置為無滑移邊界、運用多重旋轉坐標系，選擇基于壓力的半隱式求解方式，激活標準k－ε湍流方程，在求解參數的過程中根據模擬的實際問題選擇流動方程和湍流方程，湍流耗散率和湍動能方程的離散均采用二階迎風格式。最后只賦予水垂直進入的速度，沒有切向速度。由于在Fluent軟件中有4種速度－壓力耦合算法，模型中的系數均采用默認值，在本次模擬過程中采用基于結構化網格的SIMPLE算法。

3 工況模擬分析

3.1 水輪機內部流場壓力分布

圖2為水輪機內部流場壓力分布云圖。流體進入水輪機后，通過葉輪的旋轉，葉片對流體做功，葉輪機入口處的壓力為負值，便于流體的進入，但是，隨著葉輪的旋轉，內部壓力從進口到出口處呈現逐漸增大的趨勢，且產生不對稱現象。以入口圓形區域的豎直中心線為界，水輪機左邊壓力明顯大于右邊。

圖2 壓力分布云圖

3.2 水輪機內部速度流場分布

水輪機內部流場速度分布云圖與出口截面速度分布圖分別如圖3和圖4所示。由內部流場速度云圖可以看出，沿著水輪機進口的速度較低，隨著圓周半徑的增大，流體的速度也隨之增大，離蝸殼壁面較近的地方流體速度大于遠離蝸殼壁面的地方，導流通道的上部分靠近壁殼處的速度最大，流場速度分布較為理想，在蝸殼舌部雖然有部分沖擊現象，但沖擊并不強烈，說明葉輪機在既定工況下運行情況良好。

流體在蝸殼內部的速度分布不具有對稱性。在出口截面處的速度分布情況是:靠近內側的地方速度較低，流體主要沿著靠近外側壁殼的地方流出，出口外側流體速度較大，內側則相反。為使流體在出口截面速度平緩地變化，后期在蝸殼的優化設計中應該使出口截面速度更加平緩化。

圖3 內部流場速度分布云圖

圖4 出口截面速度分布圖

3.3 葉輪機內部湍動能分布

水輪機內流體在經過葉輪旋轉加速后湍動能增加，在葉輪出口處，湍動能相對較高，湍動較為劇烈，隨著蝸殼內流道擴大，流體的一部分機械能轉化為靜壓，湍動能逐漸降低。

圖5 湍動能分布云圖

4 水輪機性能數值預測

4.1 水輪機揚程

通過CFD軟件的數值計算功能，可得到葉輪進口與出口處的總壓。在水輪機中，泵的揚程是泵出口總水頭與進口總水頭之差，因此可得到泵的揚程［6］

式中:ΔZ為泵出口與泵進口在垂直方向上的距離，臥式泵取0；Pout為出口總壓；Pin為入口總壓；流體密度ρ取998.2kg/m3。

4.2 水輪機水力效率

泵的水力效率［7］

式中:M為葉輪轉矩，N·m；ω為葉輪角速度，r/s.

試驗研究的水輪機標準情況下的轉速為1 200 r/min，流量為0.8kg/s，試驗得出揚程為4.5m，水利效率為25%。由CFD軟件算得進出口壓力分別為81 040.422Pa和128 267.99Pa，由公式推出水輪機揚程為4.72m，水力效率為26.3%，如此由CFD軟件算得的參數值與試驗值相差1.3%，說明CFD軟件適用于離心泵葉輪機的數值模擬。

［1］ 何曉林.水泵水輪機內部流動及水利特性［D］.廣東:華南理工大學，2012.

［2］ 劉桂峰，劉承江.凝結水泵三維流場數值模擬與分析［J］.海軍工程大學學報，2012，24（02）:73-77.

［3］ 龔發云，葉方平，湯 亮，等.折流板幾何結構對換熱器性能影響的數值模擬［J］.湖北工業大學學報，20013，28（05）:1-4.

［4］ 王福軍.計算流體力學分析——CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［5］ Ender Ozden，Ilker Tari.Shell side CFD analysis of a small shell-and-tube heat exchanger［J］.Energy Conversion and Management，2010（51）:1004-1014.

［6］ 劉小平，郭 蘭，顧衛東.CFD的水泵數值分析［J］.汽車工程師，2010（04）:21-24.

［7］ 王志堅，佟 亮，李璐璐.基于CFD的離心泵內部三維流動數值模擬和性能預測［J］.流體機械，2012，40（06）:14-18.