低比转速混流式水轮机流动噪声数值模拟.pdf

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1、第32卷第8期水电能源科学VoL32No．82014年8月WaterResourcesandPowerAug．20-14文章编号：1000—7709(2014)08—0153—04低比转速混流式水轮机流动噪声数值模拟王惠芝，周大庆，张蓝国(河海大学能源与电气学院，江苏南京211100)摘要：为预测低比转速混流式水轮机的主要流动噪声，采用重整化群RNG—e模型和FW-H模型，计算了不同导叶与转轮叶片径向间距时水轮机导叶与转轮壁面上压力脉动构成的偶极子声源产生的流动噪声，分析了导叶与转轮叶片径向间距对水轮机压力脉动及噪声特性的影响

2、，以及压力脉动与流动噪声之间的关系。结果表明，导叶末端和转轮叶片进口背面压力脉动最剧烈，是主要的偶极子噪声源，压力脉动和流动噪声的离散噪声在叶频及其谐频处出现峰值；随导叶与转轮叶片径向间距增大，压力脉动幅值减小，流动噪声减小，因此适当增大水轮机导叶与转轮叶片径向间距是一种有效降低流动噪声的途径。关键词：低比转速；混流式水轮机；流动噪声；数值模拟中图分类号：TV31．2；TH312文献标志码：A1引言2水轮机模型水力机械工作时所产生的噪声主要包括机械2．1三维模型及网格划分噪声和流动噪声，随着机械制造工艺的提高，有效选用的低比转

3、速混流式水轮机比转速为5O降低了机械噪声，流动噪声就成为水轮机的主要m·kw，用于水动冷却塔代替电机驱动风机。模噪声源。对此，TimouehevS等通过数值计算型由蜗壳、17个固定导叶、17个叶片的转轮和尾与试验相结合的方法研究了离心泵噪声频谱中叶水管组成，见图1。设计性能参数流量Q===1．389片通过频率(BPF)成分；熊海芳等l_2总结了离心m／s，水头H一13．5m，转速一110r／rain，转轮泵内部流动诱导噪声的两种测试方法；黄俊雄进口直径D一1．2Om，出口直径D2—0．64m。等基于商用软件Fluent建立了离

4、心泵流动噪蜗声数值仿真方法，分析了泵内压力脉动的成因，提出了改善声学性能的叶轮优化设计思路；王宏光等¨4应用计算流体动力学软件Fluent和声学软件LMSVirtualLab研究了轴流泵内部压力脉动和流动噪声在不同工况下的变化规律及其关系。这些研究主要集中于泵的流动噪声模拟，而对水图1低比转速混流式水轮机示惫图Fig．1Schematicdiagramoffrancisturbine轮机方面的相关研究较少。对于低比转速混流式withlowspecificspeed水轮机，转轮呈扁平状、导叶与转轮叶片距离近的特点使水轮机流道内水

5、流不规则运动更加剧烈，采用Gambit软件对流体计算域划分网格，机组在运行过程中辐射出较大的流动噪声。鉴考虑到模型的形状复杂，采用适应性强的非结构此，本文利用Fluent软件对低比转速混流式水轮化网格，经过网格无关性验证，最终生成的网格总机的主要流动噪声进行预测分析，以期为低比转数为1401768个，其中蜗壳部分424700个，导速混流式水轮机噪声控制提供依据。叶100000个，转轮502016个，尾水管375052个。收稿日期：2013-11-19，修回日期：2014-01—12基金项目：国家自然科学基金项目(51106O4

6、2)作者简介：王惠芝(1989一)，女，硕士研究生，研究方向为流体机械工程，E—mail：wang—hui—zhi@163．com通讯作者：周大庆(1976一)，男，副教授，研究方向为流体机械工程，E—mail：zhoudaqing@hhu．edu．cn·154·水电能源科学2．2数学模型计算的流场为初始条件，进行非定常计算，修改动2．2．1非定常计算模型静部件的耦合模型为滑移网格模型；湍流粘度项描述水轮机内部流场瞬时流动状态的基本控采用二阶迎风格式，在时间域上采用二阶全隐格制方程组(N—S方程)[53为：式进行离散，时间步长

7、设置为0．001S，流场内压+()_O(1)力脉动的周期性变化稳定后，选择Fw—H模型，将导叶区与转轮区的所有固体壁面设置为声源，十一aP+aeo3taz3xddz(一2)并选择输出声源面上压力脉动数据，在距转轮中z心3ITI处设一外场监测点，以获得声压随时间的其中eo一(+一号罄)变化曲线。式中，．0为流体密度；t为时间；z、32，、．92为坐标分步骤3非定常计算结束后，读取计算过程量；U、、U均为时均速度分量；P为时均压力；中保存的导叶和转轮壁面上压力脉动数据，带人为粘性应力张量；为Kronecker函数。波动方程，计算得

8、到监测点声压信号。重整化群RNGfc一￡湍流模型_6中的湍动能和湍流耗散率e的约束方程分别为：3结果与分析+一3“a。axjl““考az，]l+。一+’P￡⋯㈦3．1压力脉动分析a+。3x_杀a．zJl～⋯亳a]l+。分别对导叶与转轮叶片径向间距为17、25、33mm时的模型