大型水斗式水轮机配水环管内部流场数值模拟.doc

大型水斗式水轮机配水环管内部流场数值模拟左 潞 陈创新 郑 源 （河海大学水利水电工程学院，江苏南京，210098）摘要：结合我国西南某大型水电站水斗式水轮机配水环管，应用Pro/E三维设计软件进行几何建模，以FLUENT软件为计算平台，采用雷诺时均方程及标准-湍流模型，对计算区域进行非结构化网络划分；采用有限体积法、一阶迎风格式进行控制方程进行离散，运用SIMPLEC算法对离散方程进行求解，对大型水斗式水轮机配水环管内部流场进行了三维定常不可压湍流模拟研究。并针对实际的运行情况，模拟了配水环管六个出水口的不同组合方案，得到了能量性能最优的组合方案。关键词：水斗式水轮机、配水环管、喷嘴、数值模拟Numerical Simulation with the Distributor of Large-Scale Pelton TurbineZuo Lu Chen Chuangxin Zheng Yuan(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering Hohai University, Nanjing, 210098, China)Abstract :Based on large-scale pelton turbine of water power station in Southwest, the geometrical model of distributor of pelton turbine was by Pro/E, a three-dimensional model building software. Taking FLUENT software as numerical simulation platform, the flow field in distributor of pelton turbine was determind. A scheme was used in this paper with Reynolds-Averaged Navier-Stokes equation and standard -model. The control equations were treated with by means of finite volume scheme, first-order upwind scheme and made a discretization using SIMPLEC algorithm. Thus the following results can be achieved with the numerical simulation on three dimensional steady incompressible turbulent flow fields. According to actual operating conditions of power plant, the simulation with the different combination plans of 6 outlets is be done, attain energy optimum Keywords: Pelton turbine, Distributor, nozzle, numerical simulation1前言近年来，随着流体动力学数值求解技术和计算机软硬件技术的发展，水力机械内部三维湍流场的研究有了长足的进展，我国在反击式水轮机方面的研究积累了丰富的经验，某些领域达了国际先进水平，而对水头式水轮机的研究却远远落后于国外先进水平1、2。随着我国西部大开发战略的实施，为了开发西部高水头的水力资源，对水斗式水轮机的研究显得迫在眉睫。总结国内外研究成果，大部分都是关注水斗式水轮机的射流和转轮斗叶方面的研究，而针对水斗式水轮机配水环管的研究成果较少。配水环管在冲击式电站中的作用相当于混流式电站的蜗壳，使得水流在进入喷嘴之前均匀的分配给喷嘴。配水环管对水轮机效率由较大的影响，尽管其本身的水力损失很小，但是它的设计优劣将影响喷嘴射流的质量，设计不好的配水环管由于其复杂的流道，将形成强烈的湍流，造成在喷嘴入口处不均匀的流场，从而使得射流组织紊乱。优化配水环管的结构，不仅可以减少其内部水力损失，还能优化射流质量。因此对冲击式电站水斗式水轮机的配水环管进行流场数值模拟是十分重要的。本文结合四川冶勒高水头电站水斗式水轮机，对其配水环管进行了数值模拟。冶勒水电站位于大渡河一级支流楠桠河上，电站设计水头580m。电站厂房安装两台立轴水头式水轮发电机组，过机流量为23.62m3/s，单机容量120MW，总装机容量240MW，是目前我国最大的冲击式水轮发电机组。2数学模型2.1 模拟控制域网格配水环管在分岔管处的结构并不是围绕着中轴线对称，所以无法对其进行二维模拟。Pro/ENGINEER是当今最普及的三维CAD/CAM系统之一3，本文运用它进行模型的建造，图形尺寸来源于四川冶勒电站的AUTOCAD施工图纸。采用对配水环管内部进行三维的数值模拟，以求尽可能达到模拟结果的准确。随着CFD是否改成统一的名词在实际工程设计中的深入应用，所面临的几何外形和流场变得越来越复杂。网格的划分主要分为结构网格、非结构网格和自适应笛卡尔网格等网格。如果几何外形不复杂，使用结构或非结构网格方法所耗费的计算时间没有明显差别，而对具有复杂几何外形的配水环管内部采用结构网格或块结构网格要花费大量的时间，甚至根本无法得到结构网格。故本文采用四面体单元，对体进行非结构网格划分，网格间距100，总网格数约360000，进口断面中心为坐标原点。由于环管进口除了速度外，还有大的静压强，这是由于电站上下游的巨大高程差所形成，按照水流在配水环管进口前的总压力水头580m，则在原点（即环管进口中心）的参考压力为5689800Pa。边界条件采用速度进口，进口速度采用10.4m/s（根据额定流量），湍流参数选定I2，水力直径1.7m。水轮机采用6喷嘴的配水环管，属于环形结构，6个喷嘴呈间距60o绕主轴分布，是一个具有强烈弯曲和分叉的变断面输水管。图1为配水环管网格划分图。图1 配水环管网格划分图2.2 基本方程选用标准模型，它是一种针对高雷诺数的湍流模拟模型，适用于充分发展的湍流。这句话是抄的fluent书上的，但从毕业论文最后的计算结果看，未必很合适，不能成为选择标准模型很充足的理由。首先正向工况时，尾水管中的水流为旋转的，其次，因为采用的网格形式是中间为一中空的形式导致中空管壁上的水流流态是与尾水管中的水流方向相反的。在进一步深入研究中可以探讨一下，曾经对三个模型进行过比较，但没有能够得到很明显的结果差异。标准的双方程模型是通过联立湍动能和耗散率的运输方程，并建立它们与湍流粘性的关系4：湍流动能方程（方程）： （1）耗能方程（方程）： （2）其中，湍流涡团粘性系数：为速度梯度引起的压力生成项（或源项）： ，经模化后，对于不可压缩湍流： 为经验常数，其值分别取为：, ，标准模型在科学研究及实践中得到广泛的检验和应用。本文所研究的水斗式水轮机配水环管内流场是湍流充分发展的流场，雷诺数高，采用标准模型进行计算比较合适。2.3 边界条件2.4.1 流动进口边界条件在本文数值计算中，流量和进口压力值都已知，分别使用速度进口边界和压力进口边界进行计算。使用该边界时，关于进口边界的湍动能和湍动耗散率的估算值，目前还没有理论上的精确计算公式，本文借助文献中已有的近似公式估算。2.3.2 壁面边界条件在粘性流动中，壁面处默认为非滑移边界条件。对于壁面边界条件，特别对于湍流计算，因在近壁面演变成层流，因此需要针对近壁面区采用壁面函数法5。3配水环管内部流场数值模拟3.1折管流场数值模拟 在弯曲的管路中（肘管、弯管等），由于流体的转弯，出现了从曲率中心向管子外壁的离心力。这就使得流体从管道的直管段过渡到弯曲管道时，外壁的压力增高而内壁的压力降低。所以在外壁处流体的流速将减少，而在内壁处流速将相应的增大。因此在外壁附近出现扩散效应，而在内壁处出现收缩效应6。当流体从弯曲管段过渡到直管段时，又有相反的现象发生，即内壁附近产生扩散效应和外壁附近产生收缩效应。流体的扩散导致流体脱离内外壁面。在弯管段由于惯性而流向外壁的运动更加剧了流体从内壁的分离。由于从内壁所形成的涡流区在长宽方向上的扩展，使得主流截面明显变小。要想减少管路损失，应使得在弯管部分流动尽可能缓和，避免产生剧烈得流动；同时，尽量使得管路壁光滑，减少弯曲段的数量和避免大的尖锐的弯角使得流动在这些地方产生强烈的紊流。本文截取配水环管的折管5作为折管研究对象，这是因为这段折管的断面面积相等，而且距离长，水流有相对稳定的出口，可以发现典型的折管流动现象。从折管进口到出口布置了16个断面（从A到P）。断面靠着环管中心一侧为内侧，远离中心的一侧为外测。（见图2）。图2 折管5断面布置图图3为折管中轴面图，由图不难看出，折管进口在经过分岔管之后，形成外壁压力比内壁大的不均匀流场A-A断面，压力差导致水流从高压侧流向低压侧。经过一段直管段，随着流体不断从高压流向低压，断面压力分布趋向平缓，断面流速也开始变缓。当经过第一个折角前，这时的流场很混乱，靠近内侧水流继续向内侧流，而由于水流惯性，靠近外测水流开始流向外测，导致内侧开始降低，外测压力开始升高。当水流到达断面D-D，水流的惯性起主要作用，大部分的水流开始由外测流向内侧，高压区低压区都减少。经过断面E-E，水流惯性和高低压的影响使得流场又开始变得混乱。直到水流到达断面F-F（第二个折角），这时惯性完全起主导作用，水流从内侧流向管道外测，随着下面经过几个折角，水流的惯性力越来越大，流速也越来越大，在断面N-N达到最大。与之对应，断面压力分布也变得低压区压力更低，高压区压力更高。 （a）全压图 （b）静压图（c）动压图 （d）速度分布图图3 折管中轴面图从折管的的设计角度看，主要就是各个折角角度的确定，不同的折角角度必然会造成流场不同的变化。折管的设计较合理，经过六段折角较小（最大的角度为21.5o，最小角度为17.6o）的折管，形成水轮机所需的出口流量，有利于减少较大折角带来的流场的突变。最后一个折角到出口还有一段距离使得水流在出口前形成较均匀的流场，为喷嘴进口提供良好的水流状态。3.2 分岔管流场数值模拟 分岔管，即是三通管，支管以一定的角度与总管相连，三通管的损失主要包括流体在分流处突然扩散时的冲击损失、侧管中流体的转向损失、侧管弯头内的损失和直管内的突然收缩损失。本文截取从进口到1出口的一段管道，进行分岔管流场分析（见图4）。图4 分岔管1断面布置图（a）全压图 （b）静压图（c）动压图 （b）速度分布图图5 分岔管中轴面图图5为分岔管中轴面图，由图不难看到，从配水环管进口有足够均匀的流体进入。到达断面E-E前，湍流得到充分发展，边壁形成边界层。到达断面E-E，管道内侧存在折角，导致出现低压区，此时水流开始分成两部分，水流急促向内侧流动。到达断面F-F，水流的惯性使得断面左侧水流朝着管道中心流动，右侧由于高压区分布较均匀而变化不大，继续前进，这时水流被分成两部分。当左侧水流经过肋板处，水流被阻碍，产生高压区，而内侧由于水流发生转弯出现低压，水流迅速朝着管道内壁流动。右侧水流则经过分岔管，到达下一个转弯处，这时惯性起主导作用。经过管道的作用，出水口断面流场变得相当混乱。分岔管是配水环管中损失最大的部分，其主要的损失集中在管道分流后的部分。图5表明，水流在分流后进入侧管，在管道两边形成两个速度较低的区域，一个是由于月型肋板的阻碍；一个是由于水流转向形成的回流区，这两处都是造成损失的主要部分，也就形成了分岔管出口流场的混乱。3.3 不同运行工况水力损失比较7 针对电站的实际可能运行工况，对配水环管6个出口的不同组合开启方案，即单出口、双出口和四出口开启工况水力损失进行计算比较。3.3.1单出口工况 对于每个出口单独开启情况，由于只有其中一个出水口，其他出水口设置为壁面。流经管道的水流总量是额定水量的1/6。对单独开启一个出口，其平均水头损失为0.63m，较六个喷嘴全开的情况减少约2m。这是由于流经管道的水流小，而且没有其他出水口的相互影响，损失自然减少。从结果看，损失随着出水口编号的增加而增加，增加幅度也越来越大，从实际看，离进水口越远的出水口，因经过的路程越远，其损失会逐渐增大。 3.3.2 两两出口工况由于在实际中，投入使用的喷嘴位置尽量绕着转轮中轴线对称，这样可以避免不对称的水流冲击造成转轮轴承的径向荷载，使水轮机轴承仅受到转动部件的重量。所以选择1和4、2和5、3和6三种出口组合的运行方式。在这种情况下，只有两个出水口，其他出水口设置为壁面边界。流经管道的水流总量是额定水量的1/3。计算表明，距离进口越远的出口损失值越大，1和4组合方式损失最小，其平均水头损失为0.44m，而3和6组合方式损失最大，其平均水头损失为0.99m。3.3.3 四四出口工况 为了避免使得水轮机大轴受到沿径向方向不对称的水推力，选择3种组合方式：1、2、4和5，2、3、5和6，、1、3、4和6。在这种情况下，有四个出水口，其他出水口设置为壁面。流经管道的水流总量是额定水量的2/3。计算结果表明，2、3、5和6出口开启组合损失最大，其平均水头损失为1.68m，主要是由于这几个出口都损失较大的，互相干扰的情况比较严重。另外两种出口开启组合损失较小，均为0.93m。4 结语电站在实际运行中，根据来流