方　兵，金連根，張仁貢，胡　杰，單　瀾，毛建生（.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 323；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 30027）

基于Ansys-CFX的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪雙向流固耦合數(shù)值模擬方法

方兵1，2，金連根1，張仁貢1，胡杰1，單瀾1，毛建生1
（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027）

摘要：結(jié)合某電站水輪機(jī)主要尺寸及運(yùn)行參數(shù)，使用UG軟件建立了精確的水輪機(jī)蝸殼、葉輪、尾水管三維模型，將模型導(dǎo)入到ansysworkbench中，借助ansys cfx分析工具實(shí)現(xiàn)了全流道水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪雙向流固耦合的數(shù)值模擬，為水輪機(jī)流固耦合問題提供了一種更為合理和精確的數(shù)值模擬方法。

關(guān)鍵詞：混流式水輪機(jī)；轉(zhuǎn)輪；雙向；流固耦合；數(shù)值模擬

0　引言

混流式水輪機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、水頭適用范圍寬廣、制造技術(shù)較為成熟等優(yōu)勢(shì)，在水電站機(jī)組中長(zhǎng)期占居主導(dǎo)地位[1]。轉(zhuǎn)輪是水力發(fā)電設(shè)備中的重要部件，近年來，隨著水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速值不斷提高，影響混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)組振動(dòng)和轉(zhuǎn)輪葉片裂紋問題逐漸突出，國內(nèi)如廣西巖灘電站、青海李家峽電站等,國外如美國大古力電站、委內(nèi)瑞拉古里電站[2]等在投入運(yùn)行后都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪、葉片振動(dòng)、裂紋、共振損壞等事故。轉(zhuǎn)輪在水中的旋轉(zhuǎn)是典型的流固耦合問題，隨著計(jì)算科學(xué)及數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，采用CFD技術(shù)研究轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行特性是轉(zhuǎn)輪可靠性設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，近年來在水輪機(jī)設(shè)計(jì)及水電站改造中應(yīng)用越來越廣泛和深入。流固耦合的求解問題有順序單向耦合和迭代雙向耦合，其中單向耦合只考慮流體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，不考慮結(jié)構(gòu)對(duì)流體的影響，計(jì)算精度相對(duì)較差。目前水力機(jī)械流固耦合問題分析以單向耦合為主，雙向流固耦合的應(yīng)用較為少見，在國內(nèi)僅查詢到張立翔[3]、肖若富[4]等學(xué)者進(jìn)行過這方面的研究，鑒于此，在浙江省水利廳科技項(xiàng)目支持下，筆者對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪雙向流固耦合方法進(jìn)行了研究。

1　三維建模及網(wǎng)格劃分

結(jié)合某小型水電站型號(hào)為HL360A－LJ100的混流式水輪機(jī)，使用UG三維造型軟件分別建立精確的水輪機(jī)蝸殼、葉輪、尾水管三維模型，然后將模型裝配，導(dǎo)出為igs文件，再將igs模型文件導(dǎo)入ansysworkbench軟件，利用軟件的fillby caps功能即可生成全流道流體模型，如圖1所示。轉(zhuǎn)輪模型可通過相應(yīng)igs文件導(dǎo)入，在ansysworkbench軟件中直接生成，如下頁圖2所示。

在水輪機(jī)數(shù)值模擬中，轉(zhuǎn)輪及其所在的流體域是分析的重點(diǎn)。轉(zhuǎn)輪材料為合金鋼0Gr3Ni5Mo，密度7 850 kg/m3，彈性模量210MPa，泊松比0.3，轉(zhuǎn)輪直徑1 000mm，葉片數(shù)13。單元類型為四面體單元，整個(gè)水輪機(jī)流道計(jì)算域劃分的單元數(shù)為2023 207，節(jié)點(diǎn)數(shù)360326，轉(zhuǎn)輪體單元數(shù)為50877，節(jié)點(diǎn)數(shù)為93 451。

圖1　全流道流體網(wǎng)格模型

圖2　轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模型

2　轉(zhuǎn)輪雙向流固耦合流體域分析

本文使用ANSYSworkbench 14.5進(jìn)行轉(zhuǎn)輪流固耦合計(jì)算。在該版本的workbench中，ansys可以和cfx進(jìn)行雙向流固耦合計(jì)算，即對(duì)一個(gè)包含結(jié)構(gòu)和流體計(jì)算域的模型可以分別在ansys和cfx中同時(shí)進(jìn)行計(jì)算，數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交換耦合。對(duì)于從ansys傳來的網(wǎng)格位移，cfx中可以自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格變形，無需使用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。雙向流固耦合的分析流程如圖3所示，workbench中的分析模塊組成及連接圖如圖4所示，對(duì)轉(zhuǎn)輪的分析多以穩(wěn)態(tài)為主，同時(shí)穩(wěn)態(tài)分析也是模態(tài)分析的基礎(chǔ)，故本文也選擇了穩(wěn)態(tài)分析。

圖3　雙向流固耦合分析流程圖

圖4　轉(zhuǎn)輪雙向流固耦合模塊及連接

2.1水輪機(jī)流固耦合計(jì)算參數(shù)

由水能出力公式[1可知，水輪機(jī)基本參數(shù)包括：工作水頭、流量（m3/s）、輸出>功率、水力效率，另外還有工作力矩（N·m）、機(jī)組轉(zhuǎn)速。由于通過活動(dòng)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組輸出功率的調(diào)節(jié)不是本文的研究重點(diǎn)，故省略了對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉的建模。通過調(diào)研獲取的電站基本參數(shù)為：額定水頭320m，額定功率5.21MW，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，設(shè)計(jì)效率90%，最終將計(jì)算參數(shù)確定為

2.2轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)域設(shè)置

轉(zhuǎn)輪由上冠、下環(huán)和葉片組成，其作用是將水能轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，屬于水輪機(jī)組中的最為核心的過流部件，造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的機(jī)械和水力兩大主要因素都可能通過轉(zhuǎn)輪反應(yīng)出來，因此對(duì)轉(zhuǎn)輪的流固耦合分析是整個(gè)分析的重點(diǎn)。雖然在三維建模的時(shí)候也對(duì)蝸殼和尾水管進(jìn)行了建模，但目的僅僅是為了形成完整的流道。

根據(jù)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行時(shí)的受力特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)輪上冠與發(fā)電機(jī)主軸連接處施加沿著轉(zhuǎn)輪軸向的位移約束（0mm）以及繞著軸向的力矩約束（55278 N·m），力矩方向與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)輪繞主軸的轉(zhuǎn)速約束為（1 000 r/min），最后將上冠下側(cè)、葉片、下環(huán)內(nèi)側(cè)設(shè)置為雙向流固耦合接觸面。如圖5所示。

圖5　轉(zhuǎn)輪約束施加

2.3流體域設(shè)置

流體域由蝸殼、轉(zhuǎn)輪、尾水管包圍的整個(gè)流道構(gòu)成，由于推動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的部分水體具有明顯的旋轉(zhuǎn)周期特性，因此以轉(zhuǎn)輪流體域?yàn)榻鐚⒄麄€(gè)流體域分為三個(gè)部分，依次為蝸殼流體域、轉(zhuǎn)輪流體域、尾水管流體域，如圖6～8所示。

圖6　蝸殼流體域及流場(chǎng)壓力入口

圖7　轉(zhuǎn)輪流體域及域交界面

圖8　尾水管流體域及開放式出口邊界

在蝸殼流體域上根據(jù)電站水頭在蝸殼進(jìn)口處設(shè)置入口壓力邊界條件由于尾水管的作用除了使流過水輪機(jī)的水通過尾水管流向下游以外，還可以使轉(zhuǎn)輪出口的水流能量有所降低，以增加轉(zhuǎn)輪前后的能量差，回收部分水能，因此，在尾水管擴(kuò)散段的尾部出口設(shè)置為開放式邊界，壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。在轉(zhuǎn)輪流體域上同樣需要設(shè)置水體轉(zhuǎn)速（1 000 r/min），另外，由于蝸殼、尾水管所在的兩個(gè)流體計(jì)算域均采用靜止坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)輪域采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，要將整個(gè)計(jì)算域連接起來，需要設(shè)置轉(zhuǎn)輪域的接觸邊界。無論從蝸殼流入轉(zhuǎn)輪，還是從轉(zhuǎn)輪流入尾水管，水的流入速度均大于流出速度，符合冰凍轉(zhuǎn)子交界面的使用特點(diǎn)，同時(shí)，該交界面適合穩(wěn)態(tài)模擬并具有占用資源少的優(yōu)點(diǎn)，因此兩個(gè)交界面的類型均為冰凍轉(zhuǎn)子。最后，三個(gè)流體域的計(jì)算模型均為-ε模型。

2.4計(jì)算結(jié)果

從上圖4可以看出，結(jié)構(gòu)分析模塊沒有Results單元，這是因?yàn)樵陔p向流固耦合分析的計(jì)算過程中通過流體域和結(jié)構(gòu)域的數(shù)據(jù)交換，最終將結(jié)構(gòu)分析結(jié)果和流體分析結(jié)果都保存在流體模塊的Results中。

圖9～13顯示了計(jì)算完成后得到的流體域上與轉(zhuǎn)輪接觸部分流體上的絕對(duì)壓力、靜態(tài)坐標(biāo)系中的速度分布和結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)輪上的正應(yīng)力、彈性應(yīng)變和總位移分布，其他計(jì)算參數(shù)可通過相應(yīng)的后處理進(jìn)一步查看。

圖9　流體域壓力分布

圖10　流體域速度分布

圖11　結(jié)構(gòu)域正應(yīng)力分布

圖12　結(jié)構(gòu)域正變分布

圖13　結(jié)構(gòu)域位移分布

3　結(jié)論

目前，單向流固耦合數(shù)值分析方法在水力機(jī)械設(shè)計(jì)、改造中被廣泛采用。由于單向耦合不考慮固體對(duì)流體的作用，在原理上存在計(jì)算偏差，流固耦合作用越強(qiáng)，則計(jì)算偏差越大。本文提供了一種混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪雙向流固耦合數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)方法，使得計(jì)算結(jié)果更接近物理現(xiàn)象本身的規(guī)律，提高了水輪機(jī)流固耦合的數(shù)值計(jì)算精度。

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點(diǎn)科技項(xiàng)目（RB1217），浙江省科技廳研究計(jì)劃項(xiàng)目（2013C32020）。

中圖分類號(hào)：TK730

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-5387（2015）06-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.001

收稿日期：2015-04-01

基金項(xiàng)目：浙江省水利廳一般科技項(xiàng)目（RC1458），浙江省水利廳重

作者簡(jiǎn)介：方兵（1976-），男，講師，研究方向：水輪機(jī)振動(dòng)數(shù)值分析。