cfd技術(shù)中水輪機(jī)部件的布置和優(yōu)化

cfd技術(shù)中水輪機(jī)部件的布置和優(yōu)化

現(xiàn)代fd（流量動(dòng)力學(xué)語(yǔ)言）工具可以更容易、更安全地配置和優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)（金屬殼體、導(dǎo)葉、旋轉(zhuǎn)葉片和尾管）。盡管耗費(fèi)了大量的計(jì)算機(jī)機(jī)時(shí)來(lái)計(jì)算通過(guò)水輪機(jī)的渦流,但通過(guò)水流數(shù)字模擬仍不能肯定整個(gè)機(jī)組就處于最優(yōu)狀態(tài)。另一方面,每個(gè)最優(yōu)部件的組合并不一定能使水輪機(jī)的綜合性能最優(yōu)。按幾何尺寸和入流條件的函數(shù)關(guān)系來(lái)描述部件的性能,可能是解決上述問(wèn)題的有效方法。如果將所有部件的模型連接起來(lái),調(diào)整每一部件對(duì)水輪機(jī)產(chǎn)生的影響,就只需很小的計(jì)算工作量。于是,在水輪機(jī)布置和優(yōu)化的初期就能節(jié)省很多的時(shí)間和計(jì)算機(jī)資源。然而,在優(yōu)化的后期,要求更精密的工具,而不在意計(jì)算機(jī)容量和CPU時(shí)間。這樣算出的損失才足夠精確和可靠,才可直接在數(shù)據(jù)模擬或大型渦流模擬技術(shù)中采用。由于這些方法仍需大量的內(nèi)存和CPU時(shí)間,所以采用了簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)程序來(lái)求解雷諾均分方程,并提供了大量可能的擾動(dòng)模型,k-ε模型就是其中最常用的一種。由于通過(guò)水力機(jī)械的水流十分復(fù)雜,需采用較精密的水輪機(jī)模型進(jìn)行模擬,對(duì)CFD程序還必須通過(guò)準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)校驗(yàn)。1水輪機(jī)模型測(cè)試為了深刻地了解各種損失的本質(zhì)和特點(diǎn),并建立校驗(yàn)損失模型的數(shù)據(jù)庫(kù),應(yīng)進(jìn)行大量的試驗(yàn)。在一臺(tái)特制的露天試驗(yàn)臺(tái)上,對(duì)單位轉(zhuǎn)速為127r/min、轉(zhuǎn)輪直徑為340mm的轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)模型進(jìn)行了測(cè)試,并假定部分負(fù)荷運(yùn)行點(diǎn)在最優(yōu)區(qū)附近。水輪機(jī)采用金屬蝸殼、有24個(gè)固定導(dǎo)葉、24個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉以及5個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片。應(yīng)特別注意流量和水頭的測(cè)量,以減少確定水輪機(jī)運(yùn)行點(diǎn)時(shí)的不確定因素。為減少誤差,對(duì)用于流量測(cè)量的文丘里噴嘴用測(cè)量流場(chǎng)的LDV(激光多普勒速度計(jì))測(cè)量方法進(jìn)行校驗(yàn)。1.1壓力和速度測(cè)量過(guò)程大多數(shù)速度測(cè)量采用固態(tài)激光二極管新型集成二維LDV。這種LDV基于雙色原理工作(一對(duì)紅光束,一對(duì)紅外光束和一個(gè)晶體分光儀)。光度頭由激光二極管、晶體分光儀以及發(fā)送和接收鏡片組成,直徑100mm、長(zhǎng)度500mm。采集的反射光通過(guò)雪崩型光電二極管以及FFI型處理器測(cè)定。LDV經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的測(cè)試和校驗(yàn)。在模型水輪機(jī)的試驗(yàn)中,測(cè)速精度優(yōu)于1%。程序的第一步,水輪機(jī)在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近運(yùn)行,在下列位置測(cè)量壓力和速度:·活動(dòng)導(dǎo)葉出口;·轉(zhuǎn)輪進(jìn)口,斷面1b;·轉(zhuǎn)輪出口,斷面1c;·尾水管進(jìn)口;·尾水管彎肘段末端,斷面5a;·尾水管出口,斷面5b。測(cè)量斷面如圖1。每個(gè)過(guò)流斷面布置180～440個(gè)測(cè)點(diǎn),形成相當(dāng)精細(xì)的測(cè)量網(wǎng)格。徑向和圓周速度分量的平均值通過(guò)LDV測(cè)量。此外,一個(gè)5孔矢量傳感器像在徑向平面測(cè)量水流夾角一樣用于測(cè)取壓力信號(hào)。在轉(zhuǎn)輪附近測(cè)量時(shí),葉片之間的水流區(qū)域包含在測(cè)量范圍內(nèi)。1.2測(cè)量誤差可接受的程度為了檢查速度數(shù)據(jù)的一致性,通過(guò)累計(jì)徑向分量計(jì)算各斷面的流速?？紤]到與在轉(zhuǎn)輪室壁附近測(cè)量的不確定性,±1.5%的測(cè)量誤差是可接受的?；顒?dòng)導(dǎo)葉出口與轉(zhuǎn)輪出口間的理論水頭,通過(guò)累計(jì)切向速度分量計(jì)算,也與預(yù)定值相吻合。2理論損失分析這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)用來(lái)校驗(yàn)分析損失模型以及慕尼黑技術(shù)學(xué)院開(kāi)發(fā)的CFD程序。2.1相對(duì)水頭損失模型的建立第一步,建立解析水頭損失模型,模擬水流流速、沖擊角、渦帶、曲率以及地球自轉(zhuǎn)偏向力對(duì)相對(duì)水頭損失的影響。采用無(wú)摩擦水流方法建立相對(duì)水頭損失的模型。葉片間的水流用準(zhǔn)三維歐拉方程計(jì)算,而通過(guò)金屬蝸殼和尾水管的水流按一維理論進(jìn)行模擬。這就是解析水頭損失分析,是對(duì)各部件進(jìn)一步優(yōu)化的首要途徑,試驗(yàn)表明,整個(gè)水輪機(jī)預(yù)計(jì)的損失分布與實(shí)測(cè)的吻合較好。見(jiàn)表1。2.2水體擾動(dòng)的分析方法第二步,根據(jù)試驗(yàn)水流分析進(jìn)行數(shù)字損失分析。假定為金屬蝸殼的流道,水流依次通過(guò)固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉,像通過(guò)轉(zhuǎn)輪的水流一樣采用慕尼黑技術(shù)學(xué)院開(kāi)發(fā)的三維歐拉和納維爾-斯托克斯方程(N-S)程序進(jìn)行分析,而尾水管內(nèi)的水流用一個(gè)商品化的程序計(jì)算。實(shí)際水流的擾動(dòng)采用熟知的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型來(lái)描述。按時(shí)間平均的流量計(jì)算也應(yīng)考慮轉(zhuǎn)輪和尾水管之間以及導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間水流的相互干擾。水流順次通過(guò)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪及尾水管,根據(jù)下列網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)來(lái)計(jì)算:·固定導(dǎo)葉15980點(diǎn)·導(dǎo)葉14620點(diǎn)·轉(zhuǎn)輪30600點(diǎn)·尾水管349650點(diǎn)并考慮Y值的正負(fù)誤差。3旋轉(zhuǎn)流道壁流動(dòng)由三維N-S程序計(jì)算出的轉(zhuǎn)輪相對(duì)水頭損失ΔhR/H與實(shí)測(cè)值對(duì)照見(jiàn)表2。從轉(zhuǎn)輪入流和出流計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的比較可得出一個(gè)結(jié)論:沿彎曲且旋轉(zhuǎn)的流道壁流動(dòng)并由于渦旋達(dá)到與在水流相同數(shù)量級(jí)的復(fù)雜三維臨界層水流,對(duì)于可靠地預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)輪損失來(lái)說(shuō),其精度尚不夠。整個(gè)尾水管預(yù)計(jì)和實(shí)測(cè)的水頭損失相對(duì)值ΔhDT/H的比較見(jiàn)表3。結(jié)果表明,N-S程序?qū)λ髂Σ劣绊懝烙?jì)過(guò)大。4k-模型與金相擾動(dòng)模型預(yù)計(jì)和實(shí)測(cè)的壓力和速度分布以及相對(duì)水頭損失之間的比較表明,基于廣泛采用的k-ε擾動(dòng)模型對(duì)非常復(fù)雜水流所進(jìn)行的數(shù)字模擬來(lái)代替模型試驗(yàn)是不夠準(zhǔn)確和可靠的