［奧地利］ H.貝尼尼等

立軸混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的數(shù)值模擬和相應(yīng)試驗結(jié)果的比較

［奧地利］ H.貝尼尼等

介紹了采用商用三維納維爾－斯托克斯(3D－Navier－Stokes)CFD解算器Ansys CFX分析研究混流式水輪機(jī)流量的情況，并將研究結(jié)果與閉環(huán)水輪機(jī)試驗臺對應(yīng)的水力模擬試驗結(jié)果進(jìn)行了比較。水力模擬試驗是采用兩個相等的模式(Menter)紊流模型、以比例自適應(yīng)模擬進(jìn)行了暫態(tài)計算。對開展的實驗分析、數(shù)字模擬過程，以及分析和模擬結(jié)果的對比情況進(jìn)行了介紹。

立軸混流式水輪機(jī);轉(zhuǎn)輪;數(shù)值模擬;試驗研究

單級混流式水輪機(jī)約占全世界所有水輪發(fā)電機(jī)組的2/3。對抽水蓄能需求的日益增加，使混流式水輪機(jī)也能以抽水方式運行，單級機(jī)組的水頭最高可達(dá)700 m，正在對水頭為1 000 m的機(jī)組進(jìn)行研發(fā)。水輪機(jī)必須在更寬的范圍內(nèi)運行，以遠(yuǎn)離其最高效率點(BEP)，其中，單調(diào)節(jié)機(jī)組如混流式水輪機(jī)，由于轉(zhuǎn)速不變而受到些許限制。當(dāng)遠(yuǎn)離最佳條件運行時，轉(zhuǎn)輪將不能“消除”所有導(dǎo)葉產(chǎn)生的渦流，這必然會影響到尾水管的入流條件，致使更多的殘余渦流進(jìn)入尾水管。

水輪機(jī)尾水管是機(jī)組的重要組成部分，它將動能轉(zhuǎn)化為靜壓，能量的恢復(fù)使效率受到很大影響。在部分負(fù)荷運行時就會產(chǎn)生渦帶破裂，在渦帶呈螺旋渦流時，就成為導(dǎo)致壓力脈動的主要原因。

通常不會使用穩(wěn)流翼，因為低水頭水輪機(jī)千差萬別，據(jù)估計，混流式水輪機(jī)的損失可能高達(dá)1%;但在BEP下可產(chǎn)生正的同向旋轉(zhuǎn)，在此負(fù)荷范圍內(nèi)會增加百分之幾。類似的機(jī)組還在俄羅斯運行。

穩(wěn)定尾水管中水流的另一個可能的方法，是利用從旋轉(zhuǎn)中心體控制的射流，尤其是在混流式水輪機(jī)以部分負(fù)荷運行時。而更好的效果實際上是采用機(jī)組導(dǎo)葉后和轉(zhuǎn)輪前的高壓側(cè)補(bǔ)氣。

1 實驗分析

將該配置的實驗參數(shù)應(yīng)用于閉環(huán)水輪機(jī)試驗臺，保證效率測量誤差小于±0.2%，單一效率重復(fù)性誤差為±0.1%。該閉環(huán)試驗臺可調(diào)節(jié)尾水箱的任一絕對壓力(0.1～10 Bar)(圖1中的“4”)，并可模擬不同的空化條件。在轉(zhuǎn)輪之后，設(shè)有一個樹脂玻璃圓錐，可用于觀察尾水管的水流分布狀況。在主彎管段設(shè)置有一些樹脂玻璃窗口，彎管是采用鋁材制作，并作了陽極化處理。對于13個葉片的轉(zhuǎn)輪，最優(yōu)比速約為 nq=82 min－1。

按照定義，曲線Φ(Ψ)為拋物線，實測曲線與之有良好的一致性。圖2(b)中繪出了與圖2(a)相同導(dǎo)葉位置的標(biāo)稱效率曲線。從圖中可知，導(dǎo)葉位置在30°處，效率最高，對應(yīng)于a0為15。

2 數(shù)字模擬

為了進(jìn)行水輪機(jī)的數(shù)值模擬，采用了商用CFD軟件包Ansys。對于轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉和尾水管，模擬時是采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格;對于蝸殼和支撐葉片，則是采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。在格拉茨技術(shù)大學(xué)的并行計算集群(56個CPU，Compaq DEC Alpha ES45，16 GB RAM/節(jié)點，UNIX操作系統(tǒng))上完成的計算，采用的是64位解算器版本。

圖1 在格拉茨研究院試驗臺進(jìn)行的模型測量

圖2 試驗臺上的測試結(jié)果

為了進(jìn)行數(shù)值模擬，采用了129 000節(jié)點/通道的轉(zhuǎn)輪網(wǎng)格，100 000節(jié)點/通道的導(dǎo)葉和1 200 000節(jié)點/通道的尾水管。這些都是結(jié)構(gòu)化六邊形網(wǎng)格，具有對應(yīng)的壁面壓力。導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(圖3)采用 2°間隔模擬，從50°開始逐步增加到70°。

應(yīng)特別注意的是，尾水管對混流式水輪機(jī)的模擬非常重要。在充分說明與結(jié)構(gòu)化后，用ICEM生成兩個研究中的尾水管的六邊形網(wǎng)格，包括下游的水流，總共為1 200 000個節(jié)點。

交叉方式有多點交叉和單點交叉[8]，前期需要多點交叉來產(chǎn)生大量的個體保證粒子的多樣性，在算法迭代前期使用，單點交叉在迭代后期使用防止多點交叉破壞優(yōu)良個體。

如果運用一個結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格嚙合來模擬幾何形狀復(fù)雜的蝸殼和相連的支撐葉片，可以說幾乎是不可能的。因此，必需用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。用CFXBuild 5.6產(chǎn)生嚙合，考慮了對應(yīng)蝸殼壁和葉片的上游與下游部分的壁面，預(yù)計該處的壁面壓力梯度會大些。這些區(qū)域最重要，因為水流能量從此處向?qū)~傳送，然后，驅(qū)動轉(zhuǎn)輪。整個蝸殼總共由 574 500個節(jié)點和 2 560 000 個單元構(gòu)成，其中，約2 284 600個為四面體形，1 600個為金字塔形，274 000個為楔形。

圖3 數(shù)字模擬的CFD模型

整個機(jī)器模擬由 5 400 000個節(jié)點的網(wǎng)格組成。但是，對于模擬的第2部分，具有整個360°的導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管，殼體由一個導(dǎo)葉(22.5°)、一個轉(zhuǎn)輪通道(360°/13)和部分尾水管(306°/13)形成。因此，應(yīng)最大可能地采用周期和對稱邊界。利用這些設(shè)定值，可以忽略蝸殼的影響。

同樣，根據(jù)其他模擬經(jīng)驗，該研究設(shè)定了邊界條件，竟然發(fā)現(xiàn)結(jié)果與實際非常吻合。因為該解算器給予的重力流是以最高優(yōu)先級，在進(jìn)口處采用重力流邊界條件，在出口處采用壓力邊界條件。

重力流為常數(shù)，壓力為計算結(jié)果。這意味著對殼體進(jìn)行了垂直切割。

為了估計σ值，詳細(xì)列出葉片的壓力，這樣有助于柱狀圖分析。這種方法自開發(fā)出來后，進(jìn)行了數(shù)次的交叉校核。P柱狀圖是當(dāng)葉片表面用百分比表示的壓力低于P柱狀圖時的值。該值轉(zhuǎn)σ。

在理論上，σ柱狀圖= －σ柱狀圖的結(jié)論表示該百分比的葉片表面正在發(fā)生空化。

實驗數(shù)值:σCFD，柱狀圖，0.005等效于1.2*σ標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)字模擬結(jié)果

以水輪機(jī)外形表征水輪機(jī)特性是最常用和有效的方法。在圖4中，對CFD結(jié)果與水輪機(jī)的試驗結(jié)果作了比較。比較發(fā)現(xiàn)，Phi和Psi值的變化顯著。

圖4 數(shù)字模擬與試驗臺模擬結(jié)果的對比

由轉(zhuǎn)輪自身引起的下游渦流的不穩(wěn)定性與葉片負(fù)壓側(cè)可能發(fā)生嚴(yán)重的水流分離有關(guān)。而且這種狀況發(fā)生于葉片負(fù)壓側(cè)，最終在凹進(jìn)渦帶和靜水區(qū)域結(jié)束。中心氣流分離區(qū)和渦流主水流一般發(fā)生在尾水管的水流區(qū)域。

螺旋形渦帶的旋進(jìn)運動產(chǎn)生壓力脈動。當(dāng)轉(zhuǎn)輪下游水流有少量空氣或蒸汽(如溶解的空氣)時，有可能會與尾水管發(fā)生諧振，因為空氣具有一定的彈性，有時甚至?xí)诋a(chǎn)生諧振時伴有空化。

可以將該現(xiàn)象解釋為包在圓柱表面的螺旋形渦旋可能導(dǎo)致圓柱外的軸向速度場產(chǎn)生同向流和圓柱內(nèi)的反向流。圓周速度場的狀態(tài)說明，尾水管錐管中的中心準(zhǔn)滯流區(qū)域周圍纏包著渦帶。圖5顯示的是部分負(fù)荷下數(shù)值模擬的渦帶狀態(tài)。

圖5 數(shù)字模擬的部分負(fù)荷下的渦帶狀態(tài)

對于在這種水流條件下進(jìn)行的數(shù)字模擬，如果只是簡單的從RANS切換到URANS是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因為通常情況下URANS并不顯示紊流比例的正確頻譜。換言之，采用LES模型是不可行的，因為太耗時，也不可能精確地分辨出附著的邊界層和內(nèi)部水流。此外，運用分離漩渦模擬(DES)紊流模型時，需采用具有專門標(biāo)志的極細(xì)網(wǎng)格。在分離水流區(qū)域中，采用與LES相似的方法來改進(jìn)URANS，非常類似于DES模型，但不依賴RANS方法中的顯式網(wǎng)格。本文采用的模型，稱為比例適應(yīng)模擬(SAS)，SAS項轉(zhuǎn)換到SST－模型(SST－SAS)，可以自動調(diào)節(jié)分解的流場。該暫態(tài)過程如圖6所示。

圖6 暫態(tài)計算的重要數(shù)值

4 直尾水管結(jié)果

關(guān)于空化，采用在試驗室進(jìn)行研究一直是個合適的途徑。試驗時雖然采用的是直尾水管結(jié)構(gòu)，且在試驗臺上只測試了有限的運行點，但數(shù)字模擬與試驗結(jié)果相吻合。圖7為空化試驗結(jié)果。

圖7 空化試驗結(jié)果

為了對轉(zhuǎn)輪的運行產(chǎn)生印象，分析了轉(zhuǎn)輪周圍不同平面的軸面速度。對于所有的運行點，如果速度均勻地分布在轉(zhuǎn)輪的前方，就說明導(dǎo)葉的幾何形狀良好。對于水輪機(jī)的各部件，在對相對于總效率的效率與其他水力學(xué)進(jìn)行比較時，也可以發(fā)現(xiàn)這一點。

對于統(tǒng)計模型，水流分布的中部最典型，是“壞的”相關(guān)性(見圖8)。Cm分布表明，暫態(tài)計算已有很大改進(jìn)。

5展望

能源消耗量每年都在增加，同時要求關(guān)閉對二氧化碳平衡有負(fù)面影響的火電廠。因此，需要增加建設(shè)非火電廠來承擔(dān)基荷與峰荷，同時擴(kuò)大水輪機(jī)的運行范圍也變得越來越重要。抽水蓄能可以增加運行方式，對于電網(wǎng)調(diào)節(jié)是必要的，也是可選擇的。

在水輪機(jī)部分負(fù)荷運行區(qū)域，采用對液體控制射流的思路，在過去幾年中已有不同的研究機(jī)構(gòu)一直在進(jìn)行研究，有些研究成果甚至還取得了專利。目前正在開展有關(guān)改進(jìn)射流控制方面的研究工作。

圖8 軸面速度比較:CFD與測量

瞬態(tài)的CFD計算是采用SST－SAS模型進(jìn)行，計算結(jié)果顯示了與實際尾水管水流分布的良好相關(guān)性。對于尾水管的瞬態(tài)影響，將采用更精確的紊流模型來研究。非常有必要進(jìn)行細(xì)致的水流測量，以比較和開發(fā)不同的用于非規(guī)則統(tǒng)計紊流模型和尾水管的模擬對策。同時在工程運用和有效采用CFD工具的開發(fā)過程中，如果能夠在資金方面獲得良好的支持，則可能會獲得更加可靠的結(jié)果。對于單一的部件，可視為達(dá)到了現(xiàn)代水平，而對于有差異的部件、部件之間有很強(qiáng)的相互作用的復(fù)雜設(shè)備，則并不足以信賴。利用穩(wěn)定的水流條件，優(yōu)化點可模擬具有其物理特性的實際水流條件;在優(yōu)化以外的運行將會復(fù)雜得多，非常費時的計算已經(jīng)與實際情況較接近，但僅僅是接近而已。

對于小型水電站而言，重要的是開發(fā)便宜而又有效的部件，以優(yōu)化機(jī)組的配置和/或擴(kuò)大機(jī)組的運行范圍。在本文所敘述的水輪機(jī)方面的研究工作中，對可變速設(shè)備進(jìn)行了分析計算。對于水輪機(jī)較寬的運行范圍，其發(fā)揮的效益還不足以補(bǔ)償變頻器所增加的效能。但是，對于部分負(fù)荷下的長期運行來說，效益會很明顯。

馬元珽 譯自英刊《水電與大壩》2011年第1期

沙文彬校

TK733.1

A

1006-0081(2011)12-0027-04

2011-08-03