叶片出水边对出水流道损失的影响分析.DOC

基于CFD的转轮叶片对虹吸式水轮机水力性能的影响分析 （河海大学能源与电气学院，江苏 南京210098） 摘要：为了更加高效地利用超低水头水力资源，设计了一种采用虹吸式出水流道的轴流式水轮机，针对这一形式的水轮机，在设计水头和额定转速下，采用CFD进行三维数值模拟，计算各过流部件的水力损失，研究水轮机的水力性能。通过改变转轮，分析了转轮出口水流流态。结果表明，°，出水流道水头损失为0.135m，水轮机的效率也高，其值为89.%。 关键词：虹吸式水轮机；出水流道；叶片；涡角；水力损失 TV734.1；TK733+.3 文献标志码：A 文章编号：1000-1980— 我国拥有丰富的水力资源，其中高水头水力资源主要集中分布于西南等偏远地区，在华东、中南等沿海地区，工农业生产发达，用电需求量增长较快，该地区中、高水头水力资源已开发殆尽[1]解决的问题，开发建设投资少、工期短、水力资源分散的低水头小尺寸水轮机成为可再生能源开发利用的重点。 水轮机结构简单，尺寸小，有效利用低水头资源，减少不必要的土建投资，避免厂房的大量建设投入。 我国己建的大型泵站中采用了虹吸式出水流道[]，但将其应用在水轮机的研究较少本文采用CFD数值模拟设计了一种效率较高的水头虹吸式水轮机，分析了转轮出口水流流态对出水流道及水轮机水力性能的影响，对比确定了较优的叶片，得到了效率较高的虹吸式水轮机装置，实现了低水头水力资源的高效利用，为今后类似水轮机的设计和优化提供了参考。 数值计算 1.1 模型基本参数 虹吸轴流式水轮机由含有16个活动导叶的导水机构、3个叶片的转轮和虹吸式出水流道构成，模型的主要参数：转轮直径设计水头，转速。图1为开发设计的虹吸轴流式水轮机模型三维图。 图1虹吸轴流式水轮机模型三维图 Fig.1 3D diagram of the siphon axial flow turbine 1.2 计算方法 虹吸轴流式水轮机的内部是介质为水、不可压缩的粘性湍流流动，数值计算控制方程采用不可压缩的连续方程和三维定常雷诺时均Navier-Stokes方程[]求解，方程如下： （1） （2） 式中——方向流速的瞬时值；坐标；流体密度；流体压力；质量力在方向的分量；运动粘度。 湍流模型采用Spalart-Allmaras模型，该模型属于一方程模型，计算量较小、计算精度较高，克服了两方程模型计算量大且收敛困难的问题[]，能更好的模拟虹吸式水轮机内的复杂流场。为提高计算精度和稳定性，计算中对流项采取二阶迎风格式，隐式求解，压力项和扩散项采用中心差分格式。湍流流场的压力—速度耦合方程求解采用SIMPLEC算法，此算法较SIMPLE算法收敛更快[]。计算过程中通过监测残差值是否达到设定精度和监控转矩是否稳定平衡来判断其收敛性。 .3 计算域及网格划分 虹吸式水轮机计算域包括、、转轮和四个部分，为了保证模型数值模拟的精确性，对初始模型多次用Gambit和ICEM进行非结构化和结构化网格划分，通过FLUENT计算得到结果，验证网格无关性，选取网格单元数量分别为、、、个，共计265.6万个。其中转轮区域流体采用相对旋转坐标系的方法，其他区域流体定义在静止坐标系下。在计算过程中，壁面处的流速、压力等物理量变化较为剧烈，，将固壁边界设定为绝热无滑移边界条件，计算区域采用交界面interface连接。因转轮和导叶部分结构较复杂，对这两部分的网格进行了局部加密以提高计算精度。忽略转轮室与转轮叶片缘之间的间隙流动，将进水流道的进口设置为压力进口，总压设为19620 Pa，给定出水流道的出口相对静压为。 虹吸式水轮机数值模拟计算 2.1 对初始虹吸式水轮机模型进行数值模拟计算，，，水轮机效率为81.19%。对模型各部件的水力损失进行计算，导水机构的水头损失为0.013m，导流锥的水头损失为0.019m，转轮的水头损失为0.121m，出水流道的水头损失0.201m。 可知，水轮机的转轮和部分水力损失较大，需要分析虹吸式这一特殊出水流道内的水流流态，以及转轮出口水流对出水流道损失的影响，改变出水流道的进口水流流态来降低其水力损失，提高水轮机的效率。 转轮叶片设计及对比分析 叶片翼型优化 分析转轮出口水流对出水流道损失的影响 利用BladeGen对初始叶片（叶片0）的出水边翼型进行设计，选取了其中五种叶片（叶片1、2、3、4、5） 表叶片 Tab.1 The equation of the angle of the wing shape center line of each blade 叶片 翼形的中心线角度γ所满足的方程 Span=0 Span=0.5 Span=1 0 1 2 3 4 5 通过改变表1中翼