轴流式水轮机空化现象的cfd模拟分析

轴流式水轮机空化现象的cfd模拟分析

以水为中心的液体流经局部区域，当压力小于特定临界值时，水体中的原始气核迅速膨胀并发展为气泡，在压力上升的区域破裂。这个过程被称为“空虚”，包括气泡的积累、流动、破裂和开裂过程。这是一个非稳定的过程。空化可引起水轮机过流部件的空蚀破坏,其后果主要是引起水轮机水力性能参数恶化、机械振动和噪音,进而影响水轮机的安全运行。本文着重阐述了在轴流转桨式水轮机中翼型空化和间隙空化的差别及其区分方法,即通过CFD数值模拟技术进行模拟分析,初步确定发生空化的位置,并在模型试验中采取一定的方法来确定空化的类型,并有针对性地采取模型优化措施,这对改善轴流转桨式水轮机空化、提高机组的稳定性有重要的意义。1轴流式水轮机间隙空化的分布和特征按水轮机中空化现象发生的原因将其分为翼型空化、间隙空化、空腔空化和局部空化。下面针对发生在轴流转桨式水轮机中翼型空化和间隙空化的原因、表现形式,以及由此引起的空蚀破坏进行进一步的阐述。轴流式水轮机的翼型空化主要由水流流经叶片时,局部压强降低所引起的,翼型空化与叶片的几何形状以及水轮机的运行工况密切相关。叶片翼型不同,其边壁上的空化数分布不同,空化数低的翼型,空化性能好。此外,当水轮机工况偏离设计工况时,由于进口相对速度大小及方向发生变化,就会造成叶片边壁压强分布的偏离,改变叶片上的空化数分布,进而影响空化发生的程度和部位。翼型空化是衡量转轮优劣的重要标尺。轴流转桨式水轮机间隙空化是由于水流通过某些狭窄通道或间隙时,引起局部流速升高、压强降低而产生的一种漩涡空化。在轴流转桨式水轮机中,间隙空化造成的空蚀比较突出,易在转轮叶片外缘与转轮室及叶片内缘与转轮体的间隙附近发生,这种空化极易造成转轮室、叶片外缘、叶片法兰的下表面和转轮体局部空蚀破坏,虽然这种空化的破坏范围一般不大,但破坏程度较为严重。轴流式水轮机翼型空化主要出现在叶片上,根据叶片翼型和运行工况的不同,可能出现在叶片进、出水边上,也可能出现在叶片的工作面或背面上。间隙空化主要出现在发生间隙空化附近的转轮室、转轮体和叶片上。为进一步区别不同的空蚀类别,清楚地区分叶片翼型空化和间隙空化,对轴流转桨式水轮机叶片的照片进行了分类整理,代表性的空蚀照片如图1～图7。通常情况下,翼型空化和间隙空化较容易区分。例如图7,叶片间隙空化表现在叶片裙边的空蚀上,经过长时间的机组运行,间隙空化后的裙边无论是厚度方向、宽度方向,还是高度方向都已经空蚀掉许多,靠近进水边处的裙边更严重,同时叶片翼型空化在叶片背面也表现得很明显。但是发生在叶片内缘根部与转轮体处的空化很难判断是因翼型空化还是因间隙空化导致的。为准确判断叶片内缘根部与转轮体结合处的空化类型,可首先通过对转轮叶片进行CFD分析来初步确定空化的位置,然后结合模型试验的方式来观察判定。在叶片内缘处增加一个内裙边以消除叶片与轮毂体之间的间隙,若在试验中观察到叶片内缘根部处不再出现空化现象,就说明此处原空化为间隙空化;相反,如果叶片内缘根部仍然出现空化,说明此空化是翼型空化,通过这种方法可以将两种空化现象进行区分,有利于有针对性的解决问题。2cfd分析2.1前后处理功能随着计算机性能及流体分析软件的不断发展,通过计算机进行大型流动计算分析已经越来越普遍了。CFX软件可以计算三维有势流动或粘性流动、可压流或不可压流,可以选择旋转坐标系,具有强大的前后处理功能,并为用户提供了源程序代码接口,用户可以根据实际需要建立自己的数学模型,并进行非结构化网格计算。数值计算采用单通道计算。其计算域为一个导叶和一个转轮叶片,计算域网格划分更多,能够更准确地模拟出导叶和叶片的形状,提高计算的准确性和可参考性,具体的单通道三维造型见图8。在水轮机通道的数值模拟计算中,不仅要考虑旋转部件,同时还要考虑静止部件。数值计算时,以质量流量为全通道计算的进口条件,以静态压力0Pa为计算域出口条件,活动导叶及转轮室等壁面边界条件设置固定壁面,转轮体及叶片部分设置为旋转壁面。2.2工况点的计算通过对轴流式水轮机额定水头最大出力工况点的计算,可以发现在该转轮在叶片背面内缘和外缘处有低压区,可能产生空化,具体叶片背面压力等势图见图9。3内进入空化现象的模拟检测为了确定该叶片在计算工况是否发生空化及其空化类别,在模型试验中进行了无内裙边和有内裙边的对比试验,通过试验图片可以清楚地看出加裙边前后叶片上空化的变化。计算工况无内裙边模型空化图片见图10,计算工况有内裙边模型空化图见图11。通过试验发现,转轮叶片在计算工况发生了空化现象,其位置和数值计算的位置较为吻合。因叶片内缘根部处有一低压区,且该部位又离叶片与轮毂间的转角间隙部位较近,为此很难判断该空化现象属于翼型空化还是间隙空化。为此,在模型叶片内缘根部加内裙边基本消除叶片内缘与转轮轮毂体之间的间隙后,再次进行模型试验,叶片内缘处的空化现象消失,而在叶片外缘处依然出现空化现象。这说明在此工况下,叶片背面内缘处发生的空化不是翼型空化,而是间隙空化,从而有效地对该工况下叶片内缘的空化类型进行了区分。4空化类别的区分在轴流转桨式水轮机叶片内缘和轮毂体上出现的空化现象,可以通过数值计算和模