基于固液雙介質的導水機構雙葉柵流場研究

劉福春 張婷 劉超 李翔宇

摘?要：基于Pro/E模型，Gambit網格，采用固液兩相流介質，用計算流體力學（Computational Fluid Dynamics）方法分析了某電站導水機構雙列葉柵的位置關系是否會導致水輪機水力損失的變化;對雙葉柵5種位置關系的壓力、速度分布及水力損失進行水力計算，證明雙葉柵的位置關系會對導水機構流場產生較大作用。CFD計算結果表明：在最優工況和額定工況下，雙葉柵相對位置為較大時，水力損失較小。

關鍵詞：固液兩相流;導水機構;流場分析;設計優化

1 緒論

對現有文獻進行總結發現，水輪機導水機構固定導葉和活動導葉的位置分布、導葉數量、導葉轉角、導葉的正負曲率都對水輪機性能有影響[1-5]。但在現有的水輪機導水機構的仿真模擬研究中，對于活動導葉和固定導葉相對位置對導水機構流暢的研究較少，也不能普遍適用于所有現存的水輪機，所以對于某新建電站的導水機構流場仿真模擬仍具有實際意義[6-18]。本文對某電廠混流式機組水輪機導水機構進行CFD計算，希望能對機組運行中的水輪機水力振動及損失有所參考。

2 計算方法和流動模型

2.1 水輪機的基本參數

轉輪直徑1.7m，最大水頭238m，最小水頭220m，額定水頭231m;導葉20個。泥沙顆粒直徑為0.5mm，體積濃度為5%。

2.2 計算模型及網格

使用Pro/E軟件對水輪機由蝸殼進口至尾水管出口進行三維建模。模型如圖1、2所示。用前處理軟件Gambit進行混合網格劃分。

2.3 水流控制方程

2.3.1 流體相的基本方程

2.3.2 固粒相的基本方程

固粒相粒徑為Dpk的粒子所滿足的連續方程和動量方程為：

對連續方程和動量方程在貼體坐標下采用有限體積法在模型中進行分割。控制方程分割時，壓力相采用二階中心差分格式，其他項采用二階迎風格式，采用壓力速度耦合算法[19]。

2.4 邊界條件給定

進口邊界為蝸殼進口截面流量給定，出口邊界為尾水管末端截面。模型外壁為組合封閉面，內部為流場，模型壁面區域使用標準函數法處理[19]。

3 計算結果與分析

3.1 導葉的分布關系及導葉相對水力損失公式

將水輪機模型建立坐標系，將導水機構重心作為坐標原點，將模型的右、前方向分別作為作為X、Y軸，與導水機構垂直方向作為Z軸，根據導葉間隔18°，固定導葉不動，將活動導葉沿Z軸依次旋轉3.6°，得到以下方案。方案1雙葉柵位置為0°;方案2雙葉柵位置為3.6°;方案3雙葉柵位置為72°;方案4雙葉柵位置為10.8°;方案5雙葉柵位置為14.4°。

根據導水機構的水力學特性，水力損失如下式所示：

3.2 結果與分析

本文分別對額定工況和最優工況工況進行了計算。從導水機構進口到出口，壓力、速度分布比較均勻，流線清晰，壓力和速度呈負相關，壓力在逐漸降低，而速度在升高。

CFD計算后，對五種方案下壓力和流速場分析表明，雙葉柵擺放位置不同對流場影響較大。在雙葉柵位置為14.4°附近時水力損失較小，壓力場和速度場均勻分布，不容易產生壓力突變區，一定程度上減弱了空化空蝕。

4 結論

（1）本文對某電站水輪機在兩種典型工況下進行了CFD仿真計算，得到了不同狀態下的導水機構壓力、速度場及水力損失。

（2）雙葉柵相對位置較小時容易使壓力場局部增大，容易導致導葉局部磨損。所以，建議在一定程度上擴大分布圓的半徑，降低導葉高度，盡量增大導葉的開度。

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作者簡介：劉福春（1990—?），男，漢族，山東德州人，碩士研究生，中級工程師，流體機械及其自動化;張婷（1990—?），女，漢族，山東聊城人，碩士研究生，中級工程師，電氣工程及其自動化;劉超（1989—?），男，漢族，河北保定人，碩士研究生，中級工程師，能源與動力工程;李翔宇（1992—?），女，漢族，河北張家口人，碩士研究生，助理工程師，電氣工程。