不同湍流模型下水轮机蜗壳cfd仿真精度的分析

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1、１５８中国农村水利水电·２０１５年第６期文章编号：１００７－２２８４（２０１５）０６－０１５８－０４不同湍流模型下水轮机蜗壳ＣＦＤ仿真精度的分析王旭，李萍（电子科技大学成都学院电子工程系，成都６１１７３１）摘要：为分析不同湍流模型下，水轮机蜗壳流场数值仿真精度的高低，对美国Ａｐｐｌｅｇａｔｅ电站的混流式水轮机金属蜗壳展开了研究。在网格划分、壁面函数选择等相同设置条件下，分别选择标准ｋ－ε、ＲＮＧｋ－ε以及Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε湍流模型，进行流场分析和试验。对比仿真和试验数据可知，ＲＮＧｋ－ε湍流模型下，蜗壳的

2、水力性能最好、计算精度最高。为水轮机流道ＣＦＤ数值模拟中，湍流模型的合理确定，提供了参考依据。关键词：ＣＦＤ；试验；蜗壳；湍流模型＋中图分类号：ＴＫ７３０．２；ＴＫ７３３．１文献标识码：ＡＡｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＳｐｉｒａｌＣａｓｅｂｙＣＦＤａｎｄＴｅｓｔｏｎＴｕｒｂｕｌｅｎｃｅＭｏｄｅｌＷＡＮＧＸｕ，ＬＩＰｉｎｇ（ＣｈｅｎｇｄｕＣｏｌｌｅｇｅ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１１７３１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔ

3、ｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｆｌｏｗｉｎｓｐｉｒａｌｃａｓｅｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｔａｋｅｓａｓｐｉｒａｌｃａｓｅｏｆｔｕｒｂｉｎｅｉｎＡｍｅｒｉｃａｎｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎｃａｌｌｅｄＡｐｐｌｅｇａｔｅａｓａｎｅｘａｍｐｌｅ．Ｔｈｅｐａｐｅｒｃｈｏｏｓｅｓｓｔａｎｄａｒｄｋ－ε，ＲＮＧｋ－εａｎｄＲｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－εｍｏｄｅｌ，ｄｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ，ｗｅｇｅｔｔｈｅ

4、ｍｏｓｔａｃｃｕｒａｔｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓａｔＲＮＧｋ－εｍｏｄｅｌ．Ｔｔｐｒｏｖｉｄｅｓａｂａ－ｓｉｓｆｏｒｔｈｅｃｈｏｉｃｅｏｆａｒｅａｓｏｎａｂｌｅｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｆｏｒｆｌｏｗｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＦＤ；ｔｅｓｔ；ｓｐｉｒａｌｃａｓｅ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌ水轮机蜗壳设计中，ＣＦＤ数值计算是判断水力性能良好与１蜗壳流场模型的建立否的重要手段。在整个流场仿真过程，湍流模型选择是非常关键的环节，因为它直接关系到模拟结果的准确性。目前，在蜗（１）电站概况。以美国Ａｐ

5、ｐｌｅｇａｔｅ电站的某台混流式水轮壳的ＣＦＤ数值计算中，大部分研究选用标准ｋ－ε双方程模型作机组为研究对象。机组的部分参数为：转轮直径Ｄ＝１．３５ｍ，为湍流模型［１－３］，也有少数研究采用ＲＮＧｋ－ε和Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε３额定流量Ｑ＝４．２５ｍ／ｓ，额定功率Ｐ＝８ＭＷ，额定水头Ｈ＝［４］。从计算的结果来看，这３种湍流模型模拟出的双方程模型１８１ｍ，蜗壳截面类型为圆形，包角３４５°，相邻截面夹角为１５°，最终流态是有差别的。如何判断三者之间的仿真结果究竟哪合计２１个截面（除进口端圆柱和锥形管段外）。部分断面

6、尺寸一种最精确，目前尚未有这方面的研究论证。所以在数值计算如表１所示。中，湍流模型的选择多是按照经验来确定，没有确切的准则。表１蜗壳截面尺寸（部分）ｍｍ因此，在水轮机蜗壳ＣＦＤ流场分析中存着两个问题：如果水力Ｔａｂ．１Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆｃｒｏｓｓ?ｓｅｃｔｉｏｎ条件相同的情况下，哪种湍流模型的计算精度最高？仿真结果截面序号半径圆心与中心线距离又是否经过了试验的佐证？综上所述，若能在同一案例中，分１４４１１５３６别采用这３种湍流模型来进行流场仿真，并结合试验来验证。２４２９１５２４对于确定偏差最小的湍流计

7、算模型，得到与机组实际水力条件３４１９１５１２更趋一致的速度压力分布规律，并进行优化设计都具有举足轻４４０７１５００重的意义。５３９５１４８７６３８３１４７６收稿日期：２０１５－０１－２３基金项目：四川省教育厅自然科学项目（１４ＺＢ０３８５）；美国Ａｐｐｌｅ－（２）蜗壳流场模型的生成。蜗壳流场三维模型的构建，是ｇａｔｅ电站水轮发电机设计（Ｘ３６１００２）。数值计算的首要步骤。结合蜗壳流道呈弯曲状非规则光滑曲作者简介：王旭（１９８２－），男，硕士研究生，讲师，研究方向为流体面的特点，建模过程中须确保过相邻流面之间的

8、光滑过渡。模机械设计。Ｅ－ｍａｉｌ：３４１０６８３１＠ｑｑ．ｃｏｍ。型构建可以分为３步：以表１数据为依据，建立所有平面草图；不同湍流模型下水轮机蜗壳ＣＦＤ仿真精度的分析王旭李萍１５９按照截面顺序，依次操作，逐级生成光滑壳节；将所有壳节拼接验证标准ｋ－ε、ＲＮＧｋ－ε以及Ｒｅａｌｉｚａｂｌｅｋ－ε这３种湍流模型的成整体，完成建模过程。蜗壳流场模型如图１所示。水力特性。以额定