轴流转桨式水轮机叶片周围流场的数值模拟

轴流转桨式水轮机叶片周围流场的数值模拟

轴流导向喷雾机具有单带流量大、高效运营区广、不同场景适应性强、喷叶功能等优点。因此，它在中国许多低水集水区中得到了广泛应用。从目前大多数轴流转桨式水轮机运行情况来看,气蚀情况普遍存在,并严重影响了机组的运行状况。转轮的气蚀现象是一个复杂的水力学现象,它影响转轮室内水流流态,导致气蚀发生部位损毁,并诱发机组振动、噪声,水能转换效率降低等一系列问题。随着CFD的迅猛发展,使对复杂流场内部流体流态分析成为可能。本文基于CFD,通过建立相应的数学模型来模拟轴流转桨式水轮机内部流场,得到其流动规律和水力特性,进而分析气蚀机理。1gk-湍流方程计算流体力学中的数学控制方程主要包括动量方程、连续性方程、RNGk-ε湍流方程,通过对以上方程的求解,可以得到流体运动产生的压力分布、速度分布,进而得到模拟转轮体周围的流体运动规律。数值计算采用有限体积方法,控制方程均采用二阶迎风格式进行离散。1.1控制方程式水轮机流场计算采用RNGk-ε湍流模型,其连续方程、动量方程和k、ε方程表示如下。连续方程动量方程k方程:ε方程:1.2流场模拟验证基于三维N-S方程组,并结合RNGk-ε湍流模型组成轴流转桨式水轮机内部流场模拟的控制方程组,对其内部速度场、压力场、各相分布进行数值模拟。将数值模拟得出的总体及局部速度场、压力场与现场实物进行对比分析,从而验证数值模拟方法的准确性及可行性。为真实体现转轮普遍运行状态下的模拟结果,计算工况选择为额定工况,计算过程采用压力控制,算法采用SIM-PLEC算法,用来实现压力与速度的耦合。流体与固壁接触的面都采用无滑移边界条件,近壁面采用标准的壁面函数。两相流计算时采用两相混合模型,第一相为水,第二相为空气,定义初始流场速度边界空气体积分数为0。初始入口边界为速度入口,出口边界类型为outflow,流场迭代开始于入口边界。1.3计算模型及网格划分针对四川境内某原型轴流转桨式水轮机在设计工况下进行三维定常流动进行数学模拟,水轮机转轮标称直径为8.3m,叶片额定转速nr=90.9r/min(俯视顺时针方向)。计算区域包括活动导叶出口、扭曲叶片、转轮室、泄水锥、尾水管直锥段,为加快计算速度,尾水管直锥段只选取其高度的1/5作为计算区域。由于模型结构较为复杂,因此采用适应性较强的非结构化网格进行划分,整个网格单元数量为274428个,如图1所示。由于机组在额定工况下运行时间较长,可以更好地反映气蚀发生时机组所处的普遍工况,因此选定轴流转桨式水轮机额定工况作为计算工况。额定水头Hr=30m,额定流量Qr=611.24m3/s,水轮机额定出力为168.4MW,转轮叶片安装角为φ0=11°。为了更好地体现数值模拟在流体计算中与实际情况相契合的程度,本文分别利用单相流模型与多相流气液两相混合模型进行数值计算,设置连续方程、动量方程、湍动动能及湍动能耗散率等变量的残差值低于10-4为迭代计算收敛的标准,迭代次数为1000次。2结果分析2.1叶片压力分布图2为单相流模型中叶片压力分布图。从图2(a)中可以看出,在单相流模型中叶片正面压力最高点出现在叶片进口边缘,且各个叶片压力分布对称。水流均匀地从导叶出口流经转轮叶片,叶片以φ0=11°安装角与水流相接触,压力由进口端向出水口递减,符合转轮室内水流流动规律。图2(b)中叶片背面负压最小压力出现在进口靠近轮毂侧边缘处,由于四周进水流速均匀且对称,所以叶片压力分布呈轴对称分布。可以看出,由于叶片进水端的流体流速较大,相应进口的压力损失及绕流引起的压降增大,实际情况还要考虑流体圆周速度引起的离心运动。叶片背面压力最低处出现负压,水流在此处出现绕流,已经达到气蚀产生的临界流态。2.2两相流计算结果对比图3为利用气液两相混合模型计算得出的叶片背面压力分布图和空气相分布图。从图中可以看出,不论是单相流模型还是两相流模型,模拟出的计算结果显示压力最低点均出现在叶片进口外缘处。在单相流计算结果中,叶片进口背面外缘的压力已经降到低于水的汽化压力,容易在此部位发生气蚀,模型中没有关于空气相的控制方程,因此压力会一直降低直至负压。而在两相流计算结果中,叶片上最低压力高于单相流计算结果中的最低压力值,这是因为气体相的加入,使绕流严重区域中的水流产生气泡,而不致负压过大。在其余压力高于汽化压力的地方,两种模型所得到的计算云图中压力分布是一致的,这也间接验证了本文所采用的两相流计算的可靠性。图3(c)显示了两相流计算中叶片背面气体含量分布,从图中可以明显看出,叶片进口外缘尖端附近有空泡产生,气蚀现象出生的临界点就在此区域中,但空泡覆盖面积较小,因此气蚀发生的区域也仅限于此。在实际情况中,一般负压区对应气体相体积分数最大的区域,同时也对应叶片上空化空蚀最可能发生的区域,此区域的负压低于水体汽化压力就要发生气蚀。由气相分布图可知,不仅叶片进口外缘气体体积分数较大,叶片边缘也出现了较高的空气含量分布,这种现象是由于转轮叶片边缘与转轮室的间隙较小造成流体流速升高,进而引起间隙部位压力下降造成的。实际观察中发现,转轮气蚀一般发生在叶片靠近转轮体的进水边(图4),这与数值计算出的叶片低压分布区域是相符的。3气蚀部位分布本文基于CFD,利用FLUENT对轴流转桨式水轮机