水力机械的流动模拟与数值计算

441十七水力机械的流动模拟与数值计算1调研背景概述 本报告主要查阅了2010年及以前的相关期刊和学术会议论文、有关专著和毕业论文等，选择能够代表本学科发展动态的科研成果作为调研的基本材料，包括：国内期刊：《中国科学A辑》、《水动力学研究与进展A辑》、《水利学报》、《清华大学学报》、《水力发电学报》、《农业机械学报》、《机械工程学报》、《工程热物理学报》、《水科学进展》、《排灌机械》、《水力发电》、《流体机械》、《中国水利》、《大电机技术》、《东方电机》。国际期刊：InternationalJournalforNumericalMethodsinFluidsTransactionsoftheASME—JournalofFluidsEngineeringInternationalJournalofHeatandFluidFlowComputer&FluidsComputers&StructuresJournalofFluidMechanicsTransactionsofASME:JournalofTurbomachinery,InternationalJournalofComputerApplicationsinTechnology专著：Anintroductiontocomputationalfluiddynamics:thefinitevolumemethod计算流体动力学分析——CFD软件的理论与应用学术会议：ProceedingsoftheASMEFluidsEngineeringConference24thIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems，200823rdIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems，200622ndIAHRSymposiumonHydraulicMachineryandSystems，20042选择本专题进行调研的原因、必要性及意义 真机试验、模型试验和数值计算是水力机械性能特性分析的主要手段。数值计算具有灵活性强、周期短、成本低、可预测性强以及可视化程度高等多方面的优势，为研究者提供了一个有效的研究手段。近年来，随着计算机技术的高速发展以及计算流体动力学和数值求解442技术的不断完善，数值计算越来越受到人们的重视，并广泛应用于水力模型的性能预测及优化设计、水力机械非定常流动特性(湍流及湍流压力脉动)研究、空化两相流研究、固液两相流研究以及考虑流固耦合的结构动力学研究等领域。也正是基于数值计算的以上优点，国内外很多学者基于CFD技术对水力机械内部流动进行数值模拟研究，其中涉及水力机械流动计算方法和计算模型的研究、采用数值方法对流动规律的研究以及采用数值方法解决工程实际问题的研究。数值计算的方法和结果需要较强的理论分析来支撑，需要试验来验证、完善。对当前水力机械内部流动的数值模拟和计算研究现状进行分析总结，有利用水力机械流动理论以及试验研究的发展，更有利于水力机械内部流动数值研究的发展。3近年来该专题发展新动向和值得关注点 3.1基于CFD的水力机械性能预测及优化设计 在20世纪50-70年代，水力机械中的流动计算只能更多的采用理想化假设的一元或二元理论，流动计算的目的也是仅仅估算出流道中平均流动的速度和压力，用于指导流道设计。在这样的流动计算理论的基础上，所设计水力机械的整体能量性能较差，如效率不高、抗空蚀能力差，根据试验结果进行改型是主要的技术手段，经验起了决定性作用。在计算机得到普遍使用以后，现代意义下的水力机械中的流动计算才开始出现。吴仲华教授所提出的S1、S2两类流面的通用理论首先得到了发展，基于该理论开发了理想流体的准三维流动计算方法，满足了水力机械设计工况对流速场的要求。为考虑粘性对性能计算的影响，还发展了边界层与内部理想流动的迭代计算等方法，它们在很大程度上推动了水力机械流动计算的发展。假定粘性引起的摩擦作用只在很薄的边界层范围内，忽略粘性项，直接求解纳维-斯托克斯方程组，出现了全三维的欧拉法。Moore把主流区看作非粘性流动，再结合边界层的粘性流动计算，可以考查回转通道内二次流对边界层发展的影响，计算结果与试验结果相当一致。Nishi着重研究叶轮内部边界层和主流区的自律调整作用，多数情况下都存在尾流－射流结构，并被很多试验证实。事实上水具有粘性，要想进一步提高流动计算的真实性，就必须全方位考虑粘性流动的效应。Martelli以S2相对流面上的二维Reynolds时间平均N-S方程和k-ε湍流模型，用有限差分法和时间推进法计算了离心泵叶轮内部二维粘性流动，以此来指导设计。Shietal以二维Reynolds时均N-S方程和考虑了旋转、曲率效应的湍流模443型k-ε，用SIMPLE法计算了圆柱形叶片的离心泵叶轮内部的二维湍流流动。将湍流理论应用于水力机械三维流动计算始于计算机技术得到迅猛发展的20世纪80年代。1986年，Shyy和braaten首次应用k-ε湍流模型对水轮机尾水管的稳态流动进行计算研究，从技术上验证了k-ε模型在尾水管流动计算的可行性。1987年，瑞士流体机械协会组织全世界范围内的水轮机内部流动计算，不限计算方法，进行蜗壳、转轮和尾水管的流动计算比较。通过计算结果与试验比较得出：基于k-ε模型的湍流计算方法可用于水轮机稳定流动计算和性能预估，误差在4%之内；对单部件的计算可得到各部件的主要流动现象，基本上可满足设计高性能水轮机的需要。之后，水力机械的三维流动计算成为大家研究的热点。Albert（2002）领导的GAMM工作组就是较早应用CFD技术计算水轮机内部流动比较成功的例子。CAD与CFD技术的联合使用，将CFD分析结果用于指导水力设计，形成了满足工业应用的反问题设计方法。现在，国外一些大的水轮机制造公司采用无转轮投标，就是基于CAD－CFD技术来完成的。在转轮设计阶段，采用先进的流场计算软件，通过对不同几何参数组合的转轮进行流动数值模拟，可以得到性能较优良的转轮。基于CAD－CFD技术设计的转轮昀高效率可以达到94％以上。CFD技术能够较准确地预测水轮机在较大运行范围内的能量特性，昀大限度地减少试验和模型加工费用。Yang等（1998）利用CAD和CFD联合研究三峡X形水轮机叶片，研究表明，X形叶片比传统转轮叶片在非设计工况下更稳定、可靠，这对流量和水头变化大的三峡水电站尤其重要。Kvaerner公司和加拿大GE公司针对我国鲁布格、大朝山、三峡等电站，采用现代CFD技术，并进行广泛的模型试验，设计出了高性能的X型叶片水轮机转轮。1999年，VGS和ALSTOM为三峡左岸水电站研发设计的水轮机模型效率分别达到95.26%和94.54%；2003年，ALSTOM为三峡右岸水电站研发设计的水轮机模型效率达到95.06%。Gehrer等（2006）使用CFD方法对轴流转桨式水轮机转轮进行了优化。此外，很多研究者采用CFD进行水力机械内部流动的定常计算，分析流动细节，指导水力设计。Muntean等（2004）对蜗壳和活动导叶内的流动进行了模拟，得出不同工况下叶道涡的信息。Tomas等（2004）使用流动模拟方法对轴流转桨式水轮机的水力设计提出了改进意见。国内在这方面的研究也取得了很大的进步，在理论和实践方面做了很多有益地研究和探索。1990年，中国水利水电科学研究院研发设计的水轮机模型效率率先突破93%；1999年水轮机模型效率率先突破94%。通过三峡技术引进，东方电机厂和哈尔滨电机厂分别引进了CFD软件CFX-TASCFlow及配套计算机硬件，用于转轮的水力设计，使得转轮的设计水平有444了很大的提高，迅速缩短了与国外的差距，提高了在国际市场上的竞争力。2003年，哈尔滨电机厂和东方电机厂为三峡右岸水电站研发设计的水轮机模型效率分别达到94.64%和94.59%。CFD还应用于鱼友水轮机的优化设计。ARL/NREC小组采用准三维水流模型来优化鱼友水轮机转轮的几何尺寸，利用三维CFD技术分析鱼友水轮机的水流特性，进一步完成鱼友水轮机的优化（George等，2005）。Voith小组利用CFD工具分析水轮机水流速度和压力分布，进行鱼友水轮机设计，提出了转桨式和混流式鱼友水轮机的设计理念（Odeh等，2000）。美国IT电力公司关于鱼友水轮机的概念设计也是基于CFD技术完成的（Testsvalidatedesignofsmallfish-friendlyturbine,2007）。CFD技术在水泵水力设计方面的应用也达到了工程水平（Hornsby，2002）。不少水泵制造商自行开发了满足特定需求的CFD软件，将流体动力学分析应用到产品的设计过程中，如NREC公司开发的pbCFD软件（Andersen，2003），德国慕尼黑大学开发的CNS3D软件等（Frobenius，2002）。Martelli等（1990）以S2相对流面上的二维Reynolds时均N-S方程和k-ε湍流模型，用有限差分法和时间推进法计算了离心泵叶轮内部二维粘性流动，以此来指导设计。Shi等（1992）以二维Reynolds时均N-S方程和k-ε湍流模型，用SIMPLE法计算了圆柱形叶片离心泵叶轮内部的二维湍流流动。Manish等（2000）对带有叶片扩散流道蜗壳的离心泵叶轮流道中的流动做了定量的PIV可视化试验研究，并采用雷诺平均和大涡模拟方法数值模拟其内部流动规律，得到水力机械中引起机组效率下降和不稳定运行的脱流、回流、断面二次流等流动现象，以此指导水力机械的优化设计，使水力机械的能量特性和抗空蚀性能进一步提高。Goto等（2002）基于数值模拟和三维反问题方法，提出了水泵导叶体的优化设计方法，根据给定的环量分布和轴面几何形状，进行导叶设计。汤方平等（2005）采用径向平衡流动模型和二维叶栅面元法叶片造型，设计了高比转速轴流泵水力模型，并对设计结果进行了流体动力学分析。曹树良等（2005）耦合反问题求解和数值模拟，成功设计了气液混输泵。清华大学、华中科技大学、中国农业大学以及中国水利水电科学研究院等国内的一些科研机构也在应用CFD技术对水力机械（水轮机和泵）进行优化设计和性能预测等研究，如韦彩新教授等对湖南省东江水力发电厂4号机组进行了整体数值分析，并对转轮的性能改善提出了新的方案。通过三维流动计算比较不同设计方案，可以得出一些指导性的设计经验，进一步提高转轮的能量特性和空化性能，开发优秀的水力模型。CFD技术广泛应用于一些新建电站和泵站445的前期论证工作，为电站开发合适的水力模型；还应用于一批老电站和泵站的改造项目，经过数值仿真和优化，效率、空化性能和稳定性均取得了不同程度的改进。CFD技术已成为水力模型开发和性能预测的重要工具。在传统设计方法中引入全三维数值模拟技术来研究水力机械中的流动规律，全面预测水力机械的运行特性并反过来指导、优化设计，即水力机械设计的正问题和反问题，已成为水力机械研究发展的一个重要方向。CFD技术的应用使水力模型的研制周期和成本明显下降,设计准确度大大提高。不足之处在于，现在的计算软件和计算方法还有一定的局限性,需要与传统设计方法配合使用,但随着流场计算方法的完善,它将成为今后水力机械主要的设计手段之一。3.2基于CFD的水力稳定性研究 3.2.1 水力机械内部压力脉动分析 （1）计算方法和湍流模型近年来，应用昀广泛的湍流解法基于雷诺时均N-S方程（简称RANS方法）。常用的湍流模型包括k-ε双方程模型、k-ω双方程模型、Reynolds应力模型和代数应力模型等。RANS方法的昀大好处是其数值计算量小，计算效率高。但是，由于这种方法要在时间域上对N-S方程中的瞬态物理量做平均处理，因此在求解非定常流动问题时遇到一定困难。解决瞬时湍流物理量计算的昀直接方法是直接数值模拟（DNS）方法，即直接用瞬时的N-S方程对湍流进行计算。但是，试验测试表明（Versteeg，1995），在高Reynolds数的湍流中可能包含尺度为10~100μm的涡，在一个0.1×0.1m2的流动