水力机械转轮内的cfd分析及优化设计

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1、万方数据第21卷第3期2000年5月工程热物‘理学报JOURNALoFENGINEERJNGTHERMoPHYSIGSVoI21．No3MaM2000水力机械转轮内的cFD分析及优化设计任静吴玉林杨建明张伟曹树良(清华大学热能工程系，北京100084)摘要本文基于Navier—stokes方程和标准的k—e紊流模型，模拟了转轮内的三维紊流场。同时，建立了一种现代水力机械转轮的设计方法．采用cAD—cFD系统，依据三维紊流场的预测结果优化转轮内相关的几何参数，使得转轮内的流志接近理想流态，从而保证优化转轮的良好性能。

2、关键词水力机械；cFD：紊流场；优化设计中图分类号：03575文献标识码：A文章编号：0253—231x(2000)03一0316_05上日U舌随着流体动力学和计算机的发展，对于水力机械转轮内的三维紊流场的研究有了长足的进展。基于各种紊流模型的雷诺平均N—s方程的数值求解有了很大的发展，其中＆一e紊流模型得到了广泛的应用。同时，流动可视化技术的进步使具体而详细地描述转轮内的流态也成为可能。据此，采用cAD—cFD系统，优化转轮设计，在水力机械转轮运行的全区域提高机组运行的性能，已经成为目前水力机械转轮设计的先进手段

3、。2水力机械转轮内三维紊流场的CFD分析技术2．1N．s方程及三维紊流场的数值模拟基于Na、rier-st。kes方程和标准的≈一E紊流模型，模拟水力机械转轮内的三维紊流。其连续性方程和动量方程可以表述为：筹一芸+蓑=sc，，0zaua=、’r抛口口抛1T爿2P刖“一pe8万9“”一pe8瓦9⋯一p4丽JF=p一№n筹一腑器删一帅耵，r0ua"a”]7d=P叫p叫u—pe8百；p训”一pe8弓ip删训一pe8百iJSI_虿}№8翥?+虿8f0∞、0委再崧妻摹a叭却4、pe8百iJ一瓦拙、却+如8面J面。￡(脚筹)收

4、稿日期：1999—6_03；修订日期：2Domol—13作者简介：任静(L965一)女，杭州人，清华大学博士后(1998一1999)，德国阿亨大学博士后(2Doo_)，丰要从事水轮机流动舟析和空化流分析及水轮机优化设计的研究。"U叫刖¨钳竖如乩夏丽沁以以旦如a一如a一(兽万方数据3期任静等：水力机械转轮内的cFD分析厦优化没计017其中，u，r．w为相对速度在三个坐标轴上的分量；矿为包含紊动能和离心力的折算压力；P为流体的密度；p。一为有效粘性系数，等于分子粘性系数和紊粘性系数肌之和。为了确定紊粘性系数他，采用标准

5、的≈一s紊流模型求解三维紊流场。将控制方程变换到贴体坐标系中，应用有限近似差分离散方程。针对流动控制方程的特点，采用二阶中心差分离散扩散项和源项，砒于控制方程中的对流项采用混合差分格式。采用snIPLEc算法求解离散方程，导出压力修正方程，并通过解此方程来修正速度场和压力场。三维紊流场中边界条件的给定及计算网格域的划分详见文献『1，21。基于三维紊流场的数值模拟结果，应用公式(2)和公式(3)可烈预估水力转轮的效牛寸“’w牛：叶=(r】一r2)u／2百g日f2)式中rt，r2为转轮进出口的平均速度环量；u为转轮的角

6、速度；q为转轮水力效率=Ⅳ=’‘口胃口(3)式中Ⅳ为转轮的功率；g为重力加速度，日为转轮的工作水头。2．2传统混流式转轮内的三维紊流场分析结果采用上一节所述的数值模拟方法，预测该转轮(图1)内的三维紊流场，其结果如图2和图3所示：圆彩蛰§图L混流式转轮几何拟型示意图图2传统混流式叶片正背面的压力分布图3传统混流式叶片正背面的相对速度分布从图2可看出，传统混流式转轮叶片背面存在一明显低压区。而在图3中，叶片面上的相对速度有下倾的趋势，这种趋势在压力面上尤其明显。2．3轴流式转轮内三维紊流场的数值模拟结果轴流式水轮机转

7、轮如图4所示。计算区域网格数为IxJ×K=60×30×40。I截面指从计算域进口到出口的周向截面，J截面指从轮毂到轮缘的截面，K截面指从叶片压力面到吸力面的截面。压力分布图中压力标注值单位为米。该转轮为一初步设计的轴流式转轮。采用所开发的轴流转桨式水轮机转轮内cFD分析软件，数值模拟四个工况下该转轮内三维紊流场，其效率及功率的计算结果如表1所示。表l优化转轮性能与初步设计方案转轮性能的对比工况01个eFD—MJ、r—cFD—M十cFD舡GFD(m3／s)(％)(kw)(％)(kw)124D82D2728022592

8、l9D90025189024430999482l0咐．620．94O9094．0107931196图4轴流式转轮几何拟型示意图万方数据318工程热物理学报从图5转轮I截面上的压力分布可以看出：叶片问周向区域压力从叶片压力面轮缘转轮进口截面中间截面转轮出口截面图5工况点1初步设计单位转轮I截面上压力分布麒魈图7工况点l初步设计单位转轮J截面上叶片头部相对速度矢