數(shù)值模擬在泥沙沖刷混流式水輪機(jī)分析過程中的應(yīng)用

南黃河

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 陜西 渭南 714000)

混流式水輪機(jī)通常是小型和大型水電站發(fā)電的常用設(shè)備[1]。混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，能適應(yīng)很寬的水頭范圍，是目前世界各國廣泛采用的水輪機(jī)型式之一[2]，但混流式水輪機(jī)在應(yīng)用過程中也存在著很多的問題，水輪機(jī)所處的水體含有豐富的泥沙。這種情況稱為泥沙侵蝕；泥沙與水輪機(jī)部件的接觸改變了水流模式，總體上減少了水輪機(jī)的工作效率和增加的振動(dòng)[3]。沉積顆粒的特征(例如形狀、硬度、濃度、彈性)和工作條件決定了沖蝕渦輪葉片程度。因此為了避免泥沙和空化侵蝕，準(zhǔn)確預(yù)測侵蝕行為和發(fā)生是必不可少的。因此本文對(duì)泥沙沖刷侵蝕過葉片程中周圍速度場及壓力場分析進(jìn)行介紹，研究泥沙沖刷對(duì)水輪機(jī)工作效率的影響。通過數(shù)值模擬的結(jié)果在后期的設(shè)計(jì)過程中盡量通過優(yōu)化混流式水輪機(jī)的幾何條件達(dá)到減少泥沙侵蝕的影響。

1 侵蝕現(xiàn)象

1.1 侵 蝕

侵蝕的定義是指由于顆粒以一定速度撞擊固體表面而產(chǎn)生的磨損[4]。 關(guān)于侵蝕機(jī)理有多種描述方法，但是當(dāng)考慮水輪機(jī)時(shí)，常常認(rèn)為僅僅是機(jī)械磨損，包括磨粒磨損、侵蝕性磨損。 磨粒磨損發(fā)生在硬度均勻或者比顆粒硬度更高的材料表面，侵蝕磨損廣泛發(fā)生在渦輪機(jī)械，包括水輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、飛機(jī)和泵。

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)[5-6]，磨損率(mm/a)是速度、尺寸、硬度或顆粒濃度和溫度的函數(shù)。一般的泥沙侵蝕率可以寫成公式(1)：

W=S1S2S3S4MrVn

(1)

式中：S1為含沙量系數(shù)；S2為沉積物硬度系數(shù)；S3為泥沙粒徑系數(shù)；S4為泥沙顆粒形狀系數(shù)；Mr為材料憎水系數(shù)；Vn為相對(duì)速度。

1.2 侵蝕模型

對(duì)于沖刷侵蝕的計(jì)算ANSYS CFX中提供了Finnie模型、Tabakoff模型、Gran模型。在Finnie模型中，侵蝕僅僅與速度和撞擊角有關(guān)，而在Tabakoff和Grant的模型中，有更大優(yōu)化模型考慮，可以根據(jù)分析問題的復(fù)雜程度輸入?yún)?shù)越多，可靠性也相對(duì)越高[7-8]。因此，這個(gè)目前的研究主要采用Tabakoff和Grant的侵蝕模型，其描述方程如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

2 計(jì)算模擬

2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

為對(duì)混流式水輪機(jī)沖刷過程進(jìn)行精確模擬，需要建立合適的幾何模型，如圖1所示為混流式水輪機(jī)模型，主要包括的六個(gè)部分的內(nèi)容：進(jìn)口、出口、蝸殼、固定葉片、導(dǎo)流葉片、尾水管。

圖1 混流式水輪機(jī)模型

由于水輪機(jī)中涉及非常復(fù)雜的渦輪模型，尤其在渦輪部分的葉片是分析的重點(diǎn)，因此在此部分需要使用局部網(wǎng)格加密技術(shù)。整體網(wǎng)格劃分采用混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖2所示。在葉片渦輪部分進(jìn)行局部加密，以便可以進(jìn)一步對(duì)沙粒沖刷和空化過程進(jìn)行精密分析。

使用ANSYS自帶的網(wǎng)格劃分軟件MESH進(jìn)行網(wǎng)格的劃分為了降低數(shù)值對(duì)網(wǎng)格靈敏度的影響，計(jì)算前首先需要對(duì)模型計(jì)算的收斂性進(jìn)行測試。計(jì)算中由于模型及方法的所帶來的誤差是不可避免的，但可結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)局部參數(shù)設(shè)置以盡量減少模擬誤差。

2.2 模擬結(jié)果

不同的泥沙流速會(huì)對(duì)水輪機(jī)葉片表面產(chǎn)生不同的影響，因此模擬以葉片表面泥沙濃度分布來研究泥沙侵蝕主要發(fā)生的區(qū)域，如圖3所示。本文分別在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的最佳功率下計(jì)算了不同泥沙流速對(duì)于水輪機(jī)的影響，從圖3中可以看出在泥沙沖刷侵蝕下沙粒主要集中在葉片邊緣部位，而且隨著泥沙流速的加大葉片邊緣處沙粒的密度也越來越大，這也就說明了在水輪機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下受到侵蝕較為嚴(yán)重的區(qū)域主要集中在葉片邊緣部位，因此在此部分需要進(jìn)行耐磨加固設(shè)計(jì)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)劃分模型

圖3 最佳功率下不同泥沙數(shù)量下葉片表面的沙密度

接下來對(duì)轉(zhuǎn)輪出口處水和泥沙的速度場進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4所示，可以看出，由于較高的相對(duì)速度，大部分砂粒在葉輪葉片出口處向著外徑流出，因此在實(shí)際水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)中在此處可以看到嚴(yán)重的侵蝕痕跡。這可以通過流道內(nèi)部的速度分布來確定，如圖4(a)所示。在水和泥沙流出的流道葉片后緣和與出口部分接觸的區(qū)域可以觀察到強(qiáng)烈的侵蝕現(xiàn)象，特別是出口區(qū)域表現(xiàn)出強(qiáng)烈的侵蝕痕跡。從圖4(b)中可以看出，在出口區(qū)域的水流速度顯著增加，在出口區(qū)域，水流到引流管時(shí)的相對(duì)速度最大(虛線圓)。

圖4 轉(zhuǎn)輪周圍的速度場

3 結(jié) 語

本文采用有限元軟件ANSYS對(duì)混流式水輪機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中泥沙所造成的侵蝕狀態(tài)進(jìn)行模擬，通過模擬可以得到在水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中其水輪機(jī)葉片邊緣處、流道葉片后緣和與出口部分接觸的區(qū)域都是泥沙濃度較大和水流速度較快區(qū)域，因此該部分也是侵蝕發(fā)生較為嚴(yán)重區(qū)域，因此在設(shè)計(jì)中也需要對(duì)此部分進(jìn)行局部強(qiáng)化以提升混流式水輪機(jī)整體壽命。