計算流體動力學的性能研究范文

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1三維數值模擬基本控制方程

水輪機內部流動基本方程為連續方程及時均Navier－Stokes方程。

2數值模擬方法

本文就水輪機段進行了造型和數值模擬，計算域由進出口段、轉輪及兩側導流葉片組成．各部分網格單獨生成，采用非結構化網格進行精細劃分，網格單元數168萬～270萬（網格單元數隨輪轂比的減小而增加）．采用多重運動參考系MRF模型（MultipleRef－erenceFrame）處理動葉片的旋轉問題，近壁處理采用標準壁面函數．方程壓力項采用二階中心差分格式，其他項采用二階迎風差分格式．采用SIMPLEC算法，實現壓力和速度變量的分離求解．盡管波力直驅水輪機性能主要取決于波浪狀況（如波高、波周和波高與水深的比值等），然而，當根據預期的安裝位置設計水輪機時，設計點的水輪機性能是非常重要的，因此，水輪機性能的測試需要設定無波浪的工作條件，如單向流入、恒定流量和恒定水頭．計算中，在進口給定總壓，出口壓力設為0．水頭計算范圍1～5m，水頭間隔為0．5m．水輪機流量通過計算得到．在壁面處采用無滑移邊界條件．水輪機效率按下式計算：

3數值預測結果及分析

3.1工作特性計算所采用的水輪機基本尺寸為轉輪直徑D1＝0．3m，輪轂比dh／D1＝0．7（dh為輪轂直徑），徑間比G／lr＝0．45（G為導流葉片與轉輪動葉片間距，lr為轉輪動葉片徑向弦長），導流葉片數為24個，轉輪動葉片數為21．1）水頭特性曲線圖3為該水輪機在同一轉速下的水頭特性曲線．在水頭H＝1．5～4．5m范圍內，水輪機效率較高，均高于70％，且在此區間幅值變化不大，也即水輪機具有寬廣的高效率區，對水頭變化的適應性強．由于水輪機過流通道為直通道，流量Q隨著水頭的增加而增加，而水輪機效率變化不大，因此輸出功率P也隨著水頭的增加而增加．也就是說，對于這種直通道、固定導葉式水輪機，定轉速運行時輸出功率P主要取決于水頭H．值得注意的是，圖3中的H－η效率曲線呈雙駝峰狀．H－η曲線呈雙駝峰狀的主要原因是葉片流道為三維彎曲的，流道中的流動與彎管流動近似，在離心力作用下葉片流道中易產生二次流．圖4為垂直于轉軸的橫剖面中二次流分布圖．H＝3m時在葉片流道靠近輪轂附近存在較強的二次流，造成局部壓力下降，引起額外的水力損失，導致效率下降．而H＝2m時沒有出現明顯的二次流，H＝4m時情況類似．2）轉速特性曲線圖5為該水輪機同一水頭下的轉速特性曲線．隨著轉速的升高，水輪機效率先快速上升后緩慢下降，n＝120rad／min時效率最高η＝71．8％．而水輪機過機流量隨轉速的增加而減小，近似成線性關系，從而導致輸出功率P隨著轉速的升高先升后降，n＝100rad／min時，輸出功率最大，為2633W．

3.2徑間比和輪轂比對水輪機性能的影響徑間比和輪轂比對波力直驅水輪機的結構參數及工作性能均有重要的影響，因此有必要進一步對此開展研究．1）不同徑間比下水輪機性能圖6給出了不同徑間比G／lr條件下波力直驅水輪機的工作性能．計算工況為水頭H＝3m、轉速n＝120rad／min，水輪機輪轂比保持不變（dh／D1＝0．7）．隨著徑間比G／lr的增加，水輪機效率η、過機流量Q和輸出功率P均先升后降．徑間比G／lr過小時，動靜部分水力干涉強，局部水力損失大且水流穩定性差；而徑間比G／lr過大時，轉輪兩側導流葉片209的導流作用減弱，轉輪效率下降．徑間比G／lr＝0．27時效率η、流量Q和輸出功率P均達到最大．2）不同輪轂比下水輪機性能圖7給出了不同輪轂比dh／D1條件下波力直驅水輪機的工作性能．計算工況為水頭H＝3m、轉速n＝120rad／min，水輪機徑間比G／lr＝0．27．隨著輪轂比dh／D1的增加，水輪機效率先升后降，輪轂比dh／D1＝0．55時效率η最高達到83．5％．而水輪機過機流量Q、輸出功率P均隨輪轂比dh／D1的增加而下降，緣于隨著輪轂比dh／D1的增加，轉輪過流斷面積隨之減小．

4結論

本文利用Fluent軟件對一種應用于波浪能轉換的配有固定導流葉片的波力直驅水輪機進行了三維數值模擬，數值模擬結果表明：1）該波力直驅水輪機具有寬廣的高效率區，對水頭變化的適應性強，這些優點為將該水輪機應用于波浪及潮汐低水頭電站提供了有力的支持．2）定轉速運行時，輸出功率主要取決于水頭．3）H－η曲線呈雙駝峰狀，主要原因是葉片流道彎曲，存在二次流，造成局部壓力下降，引起額外的水力損失，導致效率下降．4）波力直驅水輪機在穩態工況下運行時，水頭H＝3m、轉速n＝120rad／min、水輪機徑間比G／lr＝0．27、輪轂比dh／D1＝0．55時，效率達到最高，為83．5％．

作者：肖惠民于波單位：武漢大學動力與機械學院水力機械過渡過程教育部重點實驗室