计算流体动力学的性能研究范文

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1三维数值模拟基本控制方程

水轮机内部流动基本方程为连续方程及时均Navier－Stokes方程。

2数值模拟方法

本文就水轮机段进行了造型和数值模拟，计算域由进出口段、转轮及两侧导流叶片组成．各部分网格单独生成，采用非结构化网格进行精细划分，网格单元数168万～270万（网格单元数随轮毂比的减小而增加）．采用多重运动参考系MRF模型（MultipleRef－erenceFrame）处理动叶片的旋转问题，近壁处理采用标准壁面函数．方程压力项采用二阶中心差分格式，其他项采用二阶迎风差分格式．采用SIMPLEC算法，实现压力和速度变量的分离求解．尽管波力直驱水轮机性能主要取决于波浪状况（如波高、波周和波高与水深的比值等），然而，当根据预期的安装位置设计水轮机时，设计点的水轮机性能是非常重要的，因此，水轮机性能的测试需要设定无波浪的工作条件，如单向流入、恒定流量和恒定水头．计算中，在进口给定总压，出口压力设为0．水头计算范围1～5m，水头间隔为0．5m．水轮机流量通过计算得到．在壁面处采用无滑移边界条件．水轮机效率按下式计算：

3数值预测结果及分析

3.1工作特性计算所采用的水轮机基本尺寸为转轮直径D1＝0．3m，轮毂比dh／D1＝0．7（dh为轮毂直径），径间比G／lr＝0．45（G为导流叶片与转轮动叶片间距，lr为转轮动叶片径向弦长），导流叶片数为24个，转轮动叶片数为21．1）水头特性曲线图3为该水轮机在同一转速下的水头特性曲线．在水头H＝1．5～4．5m范围内，水轮机效率较高，均高于70％，且在此区间幅值变化不大，也即水轮机具有宽广的高效率区，对水头变化的适应性强．由于水轮机过流通道为直通道，流量Q随着水头的增加而增加，而水轮机效率变化不大，因此输出功率P也随着水头的增加而增加．也就是说，对于这种直通道、固定导叶式水轮机，定转速运行时输出功率P主要取决于水头H．值得注意的是，图3中的H－η效率曲线呈双驼峰状．H－η曲线呈双驼峰状的主要原因是叶片流道为三维弯曲的，流道中的流动与弯管流动近似，在离心力作用下叶片流道中易产生二次流．图4为垂直于转轴的横剖面中二次流分布图．H＝3m时在叶片流道靠近轮毂附近存在较强的二次流，造成局部压力下降，引起额外的水力损失，导致效率下降．而H＝2m时没有出现明显的二次流，H＝4m时情况类似．2）转速特性曲线图5为该水轮机同一水头下的转速特性曲线．随着转速的升高，水轮机效率先快速上升后缓慢下降，n＝120rad／min时效率最高η＝71．8％．而水轮机过机流量随转速的增加而减小，近似成线性关系，从而导致输出功率P随着转速的升高先升后降，n＝100rad／min时，输出功率最大，为2633W．

3.2径间比和轮毂比对水轮机性能的影响径间比和轮毂比对波力直驱水轮机的结构参数及工作性能均有重要的影响，因此有必要进一步对此开展研究．1）不同径间比下水轮机性能图6给出了不同径间比G／lr条件下波力直驱水轮机的工作性能．计算工况为水头H＝3m、转速n＝120rad／min，水轮机轮毂比保持不变（dh／D1＝0．7）．随着径间比G／lr的增加，水轮机效率η、过机流量Q和输出功率P均先升后降．径间比G／lr过小时，动静部分水力干涉强，局部水力损失大且水流稳定性差；而径间比G／lr过大时，转轮两侧导流叶片209的导流作用减弱，转轮效率下降．径间比G／lr＝0．27时效率η、流量Q和输出功率P均达到最大．2）不同轮毂比下水轮机性能图7给出了不同轮毂比dh／D1条件下波力直驱水轮机的工作性能．计算工况为水头H＝3m、转速n＝120rad／min，水轮机径间比G／lr＝0．27．随着轮毂比dh／D1的增加，水轮机效率先升后降，轮毂比dh／D1＝0．55时效率η最高达到83．5％．而水轮机过机流量Q、输出功率P均随轮毂比dh／D1的增加而下降，缘于随着轮毂比dh／D1的增加，转轮过流断面积随之减小．

4结论

本文利用Fluent软件对一种应用于波浪能转换的配有固定导流叶片的波力直驱水轮机进行了三维数值模拟，数值模拟结果表明：1）该波力直驱水轮机具有宽广的高效率区，对水头变化的适应性强，这些优点为将该水轮机应用于波浪及潮汐低水头电站提供了有力的支持．2）定转速运行时，输出功率主要取决于水头．3）H－η曲线呈双驼峰状，主要原因是叶片流道弯曲，存在二次流，造成局部压力下降，引起额外的水力损失，导致效率下降．4）波力直驱水轮机在稳态工况下运行时，水头H＝3m、转速n＝120rad／min、水轮机径间比G／lr＝0．27、轮毂比dh／D1＝0．55时，效率达到最高，为83．5％．

作者：肖惠民于波单位：武汉大学动力与机械学院水力机械过渡过程教育部重点实验室