转轮出流和尾水管入流的动态干涉

　　0引言

　　近年来,水力机械经常会被用干在接近最高效率工况下运行,在这种运行条件下,除了一些如负荷中断、振动之类的瞬时现象之外,水轮机各组件的动力一般比较低。当前的市场需求将水电生产推向低能耗、输出灵活的趋势,从而要求水力机械具有更加紧凑的机械结构和更广泛灵活的操作工况范围[l]。因此,水轮机在非设计工况点下运行时,各水力部件之间干涉引起的流体动力作用和动态流动现象在水力设计过程中变得越来越重要。

　　混流式水轮机中的非定常流动现象非常复杂,比较主要的包括活动导叶和转轮之间的静动叶栅干涉,导叶尾缘处的卡门涡列,叶片内涡旋的形成以及偏工况下尾水管内部的旋转涡带[3]。本文用流体动力学计算技术CFD仿真代替费用高技术难的传统模型试验,解析混流式水轮机在非设计工况点下运行时的流动状况。通过解析结果,陈述了转轮能量与转矩的动态变化,比较了转轮出流和尾水管入流的各种动态能量分布,分析了转轮出流对尾水管内部涡带形态以及压力脉动的影响。

　　1数值设定

　　本次数值模拟的混流式水轮机,单位转速为nsQ=72r/min,转轮参考直径Dref=5.5m,从转轮底部到尾水管最低点高度大约14m。

　　1.1网格结构

　　为了准确地获取转轮内部以及尾水管上部锥管处的流动状态,在这两部分结构中划分了较密的、足够保证精确的网格;同时为了缩短计算时间,在暂不作详细分析的固定导叶、活动导叶以及尾水管扩散管使用较粗糙的网格以减少总体网格数量。计算域包括由1/12固定导叶和2/24活动导叶采用前后设置的层叠结构,1/13的转轮旋转叶片和整个尾水管。带有网格划分的整体结构如图1、2所示。网格密度:层叠结构大约8.9万,转轮约7.8万,尾水管约29.1万,相应地,共有45.8万节点。

　　1.2边界条件及运行工况

　　边界条件设置如图1、2所示。固定导叶进口处设置了质量流量;尾水管出口处根据吸出水头设定静压水平。在层叠结构和转轮中设置了周期面。在固定导叶出口和转轮进口之间的交界面,和转轮出口和尾水管进口之间的交界面,都设置为瞬时的滑移面。为提高迭代结果的准确性,交界面两边的网格均完全相同并且重合。所有固壁设置为无滑移的水力光滑界面。

　　对于湍流模型的选择,考虑到尾水管中流动的各向异性,使用雷诺应力模型。仿真工况为相当接近最优工况点的部分载荷,各参数见表1。

　　1.3迭代设定和非定常数据采集

　　为了更好地保证非定常流动迭代计算的精度,计算的迭代步长设置为转轮在圆周方向上旋转一个网格所用的时间。网格模型中1/13的转轮旋转叶片的周向网格数目为12个,根据网格数量,转轮旋转一周需要计算12x13=156步。