高落差灯泡贯流水轮机全流道三维数值模拟

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1、高落差灯泡贯流水轮机全流道三维数值模拟摘要：基于CFD(计算流体力学)软件对灯泡贯流式水轮机进行了全流道三维定常数值模拟,获得了流场的速度、压力分布等变化规律。结果表明,CFD分析能较准确地预测灯泡贯流式水轮机内部流场的结构,数值模拟结果对水轮机选型和优化设计均具有重要的指导意义。关键词：灯泡贯流水轮机;高落差；三维数值模拟Abstract:basedontheCFD(computationalfluiddynamics)softwarebulbturbineturbinetothefullportthr

2、ee-dimensionalunsteadynumericalsimulation,wontheflowfieldofthespeedandpressuredistributionandchangerule.TheresultsshowthatCFDanalysiscanbepredictedbulbturbineturbineinternalflowfieldofthestructure,andnumericalsimulationresultsofhydraulicturbinetypedesigna

3、ndoptimizationareofcriticalsignificance.Keywords:lightbulbthroughwaterturbine;Highdivide;Three-dimensionalnumericalsimulation中图分类号:TK730.2文献标志码：A文章编号：80前言目前，CFD技术已广泛用于水轮机的设计和研究中。作为分析、计算及预测流场的工具，采用CFD数值模拟技术可以研究并揭示灯泡贯流式水轮机内部流动现象，预测流动性能，并为灯泡贯流式水轮机的优化设计提供强有力的

4、辅助。进行水轮机的水力设计，必须研究水流在水轮机中的实际流动分布，才能确定合理的流道几何参数和进行叶片绘形。为了更透彻地了解灯泡贯流水轮机内部真实流体运动的机理及其内部细微结构，并为灯泡贯流水轮机的优化设计提供依据，对灯泡贯流水轮机进行了全流道流动解析。1、内部流动界面设定灯泡贯流水轮机模型如图1所示。该模型由以下几部分组成：外壳、灯泡体、两个固定导叶、16片可调节的活动导叶、五叶片可调节涡轮及尾水管。图1灯泡贯流水轮机作者简介：杨栗晶（1974－），女，江苏人，讲师，主要从事水利水电工程建筑教学及流体机

5、械设计与仿真研究。带滑移界面的灯泡贯流水轮机活动导叶/涡轮叶片的水力布置图见图2所示。为了研究静止的活动导叶与旋转的涡轮间界面内的流动情况，选择了两个滑移界面：一个是位于活动导叶出口与涡轮进口间的进口滑移界面（ISI），另一个是位于涡轮出口与尾水管进口间的出口滑移界面（OSI）。8图2带滑移界面的活动导叶/涡轮叶片水力布置图2、基本技术参数本文研究的灯泡贯流水轮机的技术参数如表1所示。表1技术参数涡轮水头HR/m流量Q/(m3•s-1)额定出力N/MW涡轮叶片数202534543、网格模型8由

6、于灯泡贯流式水轮机内部的流道（尤其活动导叶到涡轮叶片之间）较复杂，在对单涡轮灯泡水轮机进行整体流动解析时，为使计算尽快收敛，同时保证解析结果足够精确，在建模时采用非结构化多面体网格（龟背网格），见图3所示。非结构网格较之结构化网格，舍去了网格节点间的结构性限制，节点和单元的分布是任意的，具有优越的几何灵活性，适应于离散任意复杂的几何外形；非结构网格随机的数据结构非常利于进行网格自适应。非结构网格生成技术多采用自动生成方法，在网格生成过程中，各种方法都采用一定准则进行优化判定，因而能生成高质量的网格，且很容

7、易控制网格的大小和节点的疏密。一旦边界确定，则在计算域内可自动生成网格，无需分块或人为干预。在两个流动界面ISI和OSI处均分别采用多结构网格显示滑移面。4、边界条件在设定边界条件中时，由于水轮机内部流动为不可压缩流动，进口处给定质量流量Q，即采用速度进口边界条件，通过给定计算工况点的流量和水轮机外壳进口面积，可以求出计算控制体进口的水流速度，计算时采用直角坐标系。出口条件按出口位置的流体物理量沿流线方向变化梯度为零来处理，采用压力出口，即给定流动出口边界上的静压及相应的尾水管出口处的吸出高水头Hs。所有

8、的固体边壁视为粘性流体的无滑移条件，即:时均流速和脉动速度的各个分量均为零，耗散率为有限值。根据无滑移条件，假定固壁上流体质点的速度和固壁的速度相等，固体壁面的流动速度为零，对固壁附近的流动采用了标准壁面函数的处理方法。同时采用亚松弛迭代方法，以利于非线性问题迭代的收敛。高雷诺数k-方程模型是粘涡模型中具有代表性的一种，它有较好的适应强湍流输运的能力，是通用性较广