試析CFD技術在水力機械研究中的應用

張瑜

摘 要 隨著計算機容量和速度的提升，CFD數值模擬技術的應用范圍不斷擴展，高水力性能水力機械開發便屬于CFD技術的重點應用領域。基于此，本文將簡單介紹CFD技術在水力機械研究中的應用路徑，并結合實例深入探討CFD技術的應用要點，希望研究內容能夠直觀展示CFD技術的應用價值。

關鍵詞 CFD技術;水力機械;LES方法

前言

在水力機械研究過程的CFD技術應用中，氣液兩相流計算、泥沙磨損預測研究、轉輪性能優化與預測、相互結合的流體和強度計算、非定常流計算均屬于其中代表。為更好發揮CFD技術優勢，滿足水力機械研究需要，正是本文圍繞該課題開展具體研究的原因所在。

1CFD技術在水力機械研究中的應用路徑

1.1 常用方式

在水力機械的研究中，氣液兩相流計算、泥沙磨損預測研究、轉輪性能優化與預測、相互結合的流體和強度計算、非定常流計算均屬于其中代表。以氣液兩相流計算為例，氣液兩相流問題屬于自然界中很多工程問題的具體表現，該問題廣泛存在于水力機械內部，水泵和水輪機的空化流動便屬于典型的氣液兩相流問題。對于部分負荷條件下運行的混流式水輪機來說，不穩定流很容易產生于尾水管內部，呈螺旋狀擺動的渦帶也會因此出現，最終引發低頻壓力脈動，并導致空蝕、噪聲、功率擺動、廠房與機組振動現象，水電站因此受到的危害同樣需要得到重視。氣液兩相流動屬于尾水管渦帶流與空化流動的本質，因此必須深入研究氣液兩相流動，才能夠實現對尾水管流動規律的理解和掌握，滿足水力機械研究需要。在基于CFD技術開展的以氣液兩相流計算研究中，結合已有的相關計算模型，如基于貼體坐標和有限體積法的氣液兩相湍流兩流體計算模型，配合CFD技術，即可通過數值模擬獲得相關數據，為開展空化流動和尾水管渦帶氣液兩相流動奠定堅實基礎。在水力機械水力穩定性預測領域，CFD技術做出的預測僅能夠作為參考，這是由于CFD計算天然存在計算效率和計算精度層面的限制所致，CFD技術在水力不穩定機理與特性、縮短計算時間、提高計算精度方面存在的更高追求也需要得到重視[1]。

1.2 發展方向

為保證CFD技術更好地服務于水力機械研究，近年來學界圍繞CFD在水力機械研究中的應用開展了大量理論研究和實踐探索，CFD技術的應用發展方向也因此逐漸明確，如加強LES方法應用、提高數值模擬精度、加強重點部位流動計算等。在加強LES方法應用中，需重點研究水力機械流動精準數值預測過程中LES方法的應用，如以有限體積法離散過程作為研究切入點，提出針對性的濾波方案滿足水力機械湍流計算精度控制需要;提高數值模擬精度同樣能夠為水力機械研究提供支持，如兩相流研究與水力穩定性研究均可由此實現長足推進，具體研究需關注計算方法和計算模型的提出和優化。以上文提及的氣液兩相流計算為例，為基于CFD計算實現計算的優化，需重點關注空泡生成、發育、潰滅和回彈的動態過程，水氣之間、氣泡之間的相互影響也需要得到重視，結合復雜的能量、動量、質量交換機理，即可推進空化流理論和數值模型的發展，這一過程還需要考慮水力機械的運行特點、流道特點;水力機械研究涉及的重點部位較為多樣化，如間隙、近壁區，圍繞這類部位開展的CFD研究需關注水力機械及主流區的整體流動，并深入分析迷宮環、間隙、近壁區等部位流動帶來的影響，由此作為研究切入口，即可保證CFD技術的應用可實現從“粗放”向“精細”發展的內部流場數值研究，水力機械流動特性可由此實現更為全面的研究，CFD技術的優勢也可由此實現最大程度發揮[2]。

2實例分析

2.1 具體應用方向

為提升研究的實踐價值，本文以多相泵復合導葉優化設計中CFD技術的應用作為研究對象，其中多相泵屬于多相混輸系統的核心部件，而作為油氣混輸泵能量轉換的核心部件，螺旋葉輪對混輸泵的重要性不言而喻，為更好滿足提高和改善混輸泵能量轉換的需要，CFD技術的應用需圍繞多相泵水力效率與流道內不同安放位置間關系開展研究，具體研究采用ANSYS18.0軟件，以此對多相泵流道內氣液兩相的速度矩變化規律、氣液分布變化規律、壓能、動能開展全面研究，即多相泵導葉優化設計即可獲得CFD技術應用提供的有力支持。

2.2 CFD技術的具體應用

研究對象為螺旋軸流式油氣混輸泵，其單級額定揚程、額定軸功率、設計流量、轉速、效率分別為25m、55kW、100m3/h、

2950r/min、33%。多相泵模型動葉的輪緣直徑、出口輪轂直徑、進口輪轂直徑、葉片包角、葉片數分別為230mm、180mm、170mm、214°、4，短靜葉與長靜葉葉片數均為8，長靜葉、短靜葉包角分別為44°與22°，半錐角為4°，結合誘導輪設計理論，可通過計算得出75mm的軸向長度結果。在具體優化中，結合三級增壓單元幾何模型，即可針對性設計出3種復合靜葉，這一過程需要以壓水室的整個流道、三級增壓單元、吸水室作為計算域，以此開展數值模擬，并對加密處理局部計算域，提高計算精確性，采用3687254個計算域網格數。基于氣液兩相流存在的異常復雜流動結構，研究不考慮狀態方程，忽略氣相可壓縮性，以此簡化計算模型，由此可得出氣相動量方程：

（1）

式中的M、f、p、g、u、、分別為介質的表面張力、質量力、壓力、下標，氣相、通過增壓單元流道介質的速度、介質密度、介質體積分數，液相動量方程為：

（2）

式中的l與分別為下標，液相、動力黏度。由此針對性采用FLUENT18.0軟件，并選擇靜葉、葉輪、吸水室、壓水室作為數值計算域，采用Mixture模型作為計算模型，采用RNGk-ε模型作為湍流模型，速度壓力耦合方式為SIMPLEC，采取光滑水力壁面作為計算域壁面，設置0.0001的數值計算殘差，由此開展計算即可滿足多相泵復合導葉優化設計需要。

3結束語

綜上所述，CFD技術在水力機械研究中的應用需關注多方面因素的影響。在此基礎上，本文涉及的常用方式、發展方向、CFD技術的具體應用等內容，則直觀展示了水力機械研究中CFD技術的應用路徑。為更好發揮CFD技術優勢，監測儀器設備的應用、安全自動化監測等發展方向同樣需要得到重視。

參考文獻

[1] 荀洪運，胡江藝，劉德民.基于壓差法的水泵水輪機模型徑向水推力測試研究[J].東方電氣評論，2019，33（01）：57-62.

[2] 崔生磊.氣液混輸泵復合導葉優化及內部流動特性研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2018.