CFD應用于液力透平葉輪設計與應用

紀運廣

摘要：對CFD技術正廣泛用于水力機械特性研究和應用進行系統介紹，針對液力透平關鍵部件葉輪在能量回收，透平發電中起到的關鍵作用，并對高揚程液力透平葉輪進行設計分析和液力透平葉輪的改進與發展做出相應總結與建議。

Abstract： The widely use of CFD technology in research and application of hydraulic mechanical property are systematically introduced， corresponding conclusions and recommendations are made for design and analysis and improvement and development of the hydraulic turbine impeller， which is the key part in the energy recovery， and plays a key role in the turbine power generation.

關鍵詞：CFD技術；液力透平；葉輪；綜述

Key words： CFD technologies；hydraulic turbine；impeller；review

中圖分類號：TH122 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）04-0106-04

0 引言

液力透平是針對高壓余能進行能量回收并具有長遠經濟效益的節能裝置。伴隨國家經濟飛速發展，由于存在能源利用率低下、資源消耗過渡的現狀，節能裝置的開發利用作用更較突顯出來。近年來，伴隨計算機技術的成熟和發展[1]，在能量回收領域關于液力透平設計的發展有了較大突破，得益于人們對CFD技術的借鑒和應用，人們已從原始數據測量和真機實驗延伸到數值模擬和模型試驗上，為水力設計帶來更有效的研究手段。設計人員伴隨CFD技術的進一步完善，可以通過流場特性分析得到的數據，針對液力透平特點進行有效修改，完善透平裝置的設計和優化，豐富了液力透平設計的理論和辦法。

1 CFD技術概述

1.1 CFD技術介紹

CFD技術是計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics）的簡稱[2]，CFD技術的迅速崛起與計算機技術的快速發展密切相關，研發人員經過幾十年的探索與開發，使得今天CFD技術已廣泛應用到科學研究的諸多領域中，是一門在包含流體力學分析、數值計算方法和計算機圖形處理分析的綜合技術[3]。其基本原理是利用能量守恒偏微分方程求解流體運動的基本運動規律的數值模擬。從而通過分析計算結果來近似模擬模型流動區域的流體流動情況。CFD技術由4部分構成，即：數值建模、網格劃分、CFD求解和后處理。數值建模是CFD技術的基礎，在液力透平設計中以基本參數為參考建立幾何模型并計算分析模擬結果得到了直觀的參數分析因素，能夠真實模擬液力透平內部流場復雜的流動情況，并提供可視化效果，使其科研人員更方便的進行流場運動分析，完善設計中的缺陷。

在流體流動問題的研究中，新興的CFD技術與過去傳統理論分析分析方法、實驗校核測量分析方法相結合組成一套完整體系[4]。理論分析方法計算結果雖具有普遍性，但通常是在經驗公式和理論的基礎上獲得的結果，因此所得結果不能保證在各種情況下結果的準確性。試驗測量方法通過實驗數據結果驗證問題，所得到的試驗結果真實有效，從而為理論分析和數值方法的研究奠定了基礎。然而，試驗多受到外界條件限制，所得結果很難與實驗理想目標相統一。而CFD技術恰好能有效的解決兩者缺陷并在有效時間內完成實驗結果的研究和分析，并能精確的描述設備與過程，解決了實驗結果數據表現形式的單一性。

利用CFD研究流體運動，對液力透平內部流場進行分析和研究，是泵行業未來發展的重要方向，但目前研究方法尚不成熟，且應用到工程實際中需要一定周期，因此開展此項工作必須建立在總結以往的設計方法、經驗和科研成果的基礎上，結合試驗研究并理論聯系實際，反復研究整理才能得到合理的設計理論和設計方法。

1.2 CFD技術商業性軟件

近些年，CFD技術的迅速發展，使得其在流體力學中應用得到廣泛應用，人們意識到在處理相關問題時，它的作用不容忽視。常用的CFD軟件有兩類，一類是以有限體積法為核心，如FLUENT、STAR-CD、PHOENICS，另一類是以有限元法為核心，如FIDAP。還有的是將兩類方法結合在一起，如CFX-TASCflow采用基于有限元理論的有限體積法。目前在水力機械中使用最廣泛的CFD軟件是FLUENT、CFX—TASCflow和STAR-CD[5]。

而CFD技術經過四十年發展，出現多種數值解法。FEM的并行是當前和將來應用的一個不錯的方向。對于水力機械，還可計算得到任意兩個過水斷面間的水力損失、泵的揚程，預測葉輪上的扭矩及泵的水力效率。而CFD技術精度問題一直困擾研究人員，準確判斷其準確性和正確性是有待解決的現實問題。因在處理同一物理問題上所采用的建立幾何模型和計算方法的不同，而得到不同的計算結果。

在處理流體流動問題上，商業軟件的廣泛開發應用極大的推動了針對泵技術研究和優化問題，有效的縮短在實驗研究階段因對泵內部流場分析數據手段不足而限制研究進度，進而增強設計研發人員的主觀能動性。

1.3 CFD技術應用現狀

目前對液力透平的研究，仍多以泵反轉式透平為主，由于反轉泵效率低于正常泵工作效率，因而泵的結構優化顯得尤為重要。國內學者楊軍虎、袁亞飛等在泵反轉做透平以及結合CFD技術對液力透平的研究為泵技術的理論成果提供了大量技術資料與經驗，其中通過對葉片泵增加導葉和優化葉片等措施，實現了不同工況條件的液力透平效率的改善。國外學者則通過對水輪機的研究，利用CFD技術對比實驗所得數據對液力透平及透平泵的改進提出了可貴意見。

由于CFD技術可以結合目前三維軟件模型進行數值模擬，通過對三位實體模型的網格劃分與求解，在CFD后處理軟件中可以通過強大的數據分析與可視化操作，將液力透平的傳統設計進行全新的系統升級，改善了以往實驗型結果分析單一性，大大縮短了在設計過程中的時間與物力人力消耗。王福軍在CFD軟件原理與應用中詳細介紹了CFD技術在當前各領域的運用與擴展。袁壽其、劉厚林等學者通過總結泵類流體機械研究進展與展望，對現代泵理論的研究具有重要意義[6]。

目前在湍流模型的選擇中，FLUENT軟件提供了標準的k～ε模型、k～ω模型、雷諾應力模型（RSM），不同的湍流分析應選擇則合適的湍流模型[7]。而在流體分析計算中由于計算流體力學流場實驗研究難度和耗費均比較大，因此在有些使用過程中不能對計算結果和計算精度做出深入研究，而是修正實驗計算結果，所以使CFD計算的準確缺乏可信度。另外在CFD使用過程中缺少認識和深入理解，無法針對軟件缺陷提出可靠性建議，在軟件二次研發上不能有所突破。目前使用的網格主要有結構化網格、非結構化網格以及混合網格等[8]。并且在劃分網格的使用中，針對非結構化網格的流體粘性解決辦法不能有效解決，是當前CFD技術應用面臨的困難問題。

2 葉輪設計分析

2.1 建立方程和建模

第三步如圖3所示進行網格化分，設置相關參數，其節點為120598，單元數有153386，并在ICEM CFD中進行邊界設置，主要以進出口與壁面為主。

完成相關操作后，在FLUENT中進行計算求解，本模型選擇穩定性好與計算精度高的標準k～ε模型，選擇介質為清水，給定進口速度為4.5m/s，進口初始壓力4.8MPa，出口壓力為10MPa。

如圖4所示設置求解參數，并選擇SIMPLE算法，初始化流場參數，保存文件并進行迭代計算，觀察分析結果并保存數據。

由以上迭代殘差圖分析可得，計算500步后各項數據大致趨于收斂。如圖5～圖7所示分別為葉輪內部速度大小與矢量，葉輪內部動壓力和總壓力分布情況。從圖7中分析可得，葉輪內部流速均勻，未產生壓力過大產生的渦流現象。

2.3 結論及建議

通過對高揚程液力透平葉輪數值建模分析，得出在設計高揚程液力透平過程中，需要對葉輪模型的葉片形狀、進出口安放角、葉片厚度做出合理設計[11]，并通過改善液力透平模型的進出口角度以及葉輪轉速調節液力透平回收效率，改善高揚程液力透平性能[12]。

進行液力透平設計必須要對內部流場特性進行分析，通過觀測表明，水力機械內部流動在多數情況下處于湍流狀態，流場由各種不同尺度的湍流渦疊合而成[13]。這些渦具有旋轉結構，渦的大小及旋轉軸的方向分布是隨機的[14，15]。由于湍流的復雜性，很難通過試驗來掌握水力機械內部的湍流狀態，而近幾年快速發展起來的計算流體動力學（CFD）理論和方法，給我們認識水力機械湍流流動提供了一種新的途徑，對揭示水力機械流場流動特性與結構動力特性間的復雜關系，具有潛在的優勢。未來CFD技術發展格局，更多面向解決工程實際應用問題，優化計算系統，實現數值模擬和流體分析運算有機結合，實現計算結果的優化，完成對工藝設備的優化升級，在液力透平研究中，實現節能裝置的產業信息化，提升二次能源利用率；建立高效、實用、精確、便捷的復雜網格化分技術，實現云計算在CFD技術中的有效應用，將是未來CFD技術的發展趨勢；發展CFD集成技術，實現其與CAD/CAM/SOLIDWORKS/PORE無縫銜接，建立一體化平臺，針對不同物理量的分析運算建立不同分析模塊，提高應用效率；為了提高CFD技術在液力透平研究與設計的應用，應逐步建立評判標準體系。

3 結語

CFD技術發展趨于多元化、高精度、高適應性、集成化與模塊化、建立統一的應用發展平臺勢在必行，在計算機飛速發展大勢影響下，CFD技術工程實際應用在不斷投入實踐，是為社會實現高效、準確的科研實踐提供有效措施，逐步帶動實現信息化處理產業高速發展。通過對高揚程液力透平葉輪設計分析得出在針對特定工況要求下液力透平關鍵部件研究為改善能量回收效率及透平發電中有建設性論據，為流體分析計算提供良好的解決方案不斷優化科研實踐中難題。

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