方　兵，金連根，張仁貢，胡　杰，單　瀾，毛建生（.浙江同濟科技職業(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)合某電站水輪機主要尺寸及運行參數(shù)，使用UG軟件建立了精確的水輪機蝸殼、葉輪、尾水管三維模型，將模型導(dǎo)入到ansysworkbench中，借助ansys cfx分析工具實現(xiàn)了全流道水輪機轉(zhuǎn)輪雙向流固耦合的數(shù)值模擬，為水輪機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；轉(zhuǎn)輪；雙向；流固耦合；數(shù)值模擬

0　引言

混流式水輪機具有結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定、水頭適用范圍寬廣、制造技術(shù)較為成熟等優(yōu)勢，在水電站機組中長期占居主導(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，隨著水輪機比轉(zhuǎn)速值不斷提高，影響混流式水輪機的穩(wěn)定運行的機組振動和轉(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]等在投入運行后都出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪、葉片振動、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)輪的運行特性是轉(zhuǎn)輪可靠性設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，近年來在水輪機設(shè)計及水電站改造中應(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結(jié)構(gòu)的影響，不考慮結(jié)構(gòu)對流體的影響，計算精度相對較差。目前水力機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)者進行過這方面的研究，鑒于此，在浙江省水利廳科技項目支持下，筆者對水輪機轉(zhuǎn)輪雙向流固耦合方法進行了研究。

1　三維建模及網(wǎng)格劃分

結(jié)合某小型水電站型號為HL360A－LJ100的混流式水輪機，使用UG三維造型軟件分別建立精確的水輪機蝸殼、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。

在水輪機數(shù)值模擬中，轉(zhuǎn)輪及其所在的流體域是分析的重點。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，整個水輪機流道計算域劃分的單元數(shù)為2023 207，節(jié)點數(shù)360326，轉(zhuǎn)輪體單元數(shù)為50877，節(jié)點數(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進行轉(zhuǎn)輪流固耦合計算。在該版本的workbench中，ansys可以和cfx進行雙向流固耦合計算，即對一個包含結(jié)構(gòu)和流體計算域的模型可以分別在ansys和cfx中同時進行計算，數(shù)據(jù)進行實時交換耦合。對于從ansys傳來的網(wǎng)格位移，cfx中可以自動進行網(wǎng)格變形，無需使用動網(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，對轉(zhuǎn)輪的分析多以穩(wěn)態(tài)為主，同時穩(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水輪機流固耦合計算參數(shù)

由水能出力公式[1可知，水輪機基本參數(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）、機組轉(zhuǎn)速。由于通過活動導(dǎo)葉調(diào)節(jié)流量從而實現(xiàn)對機組輸出功率的調(diào)節(jié)不是本文的研究重點，故省略了對活動導(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)計效率90%，最終將計算參數(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)動能，帶動發(fā)電機發(fā)電，屬于水輪機組中的最為核心的過流部件，造成機組運行不穩(wěn)定的機械和水力兩大主要因素都可能通過轉(zhuǎn)輪反應(yīng)出來，因此對轉(zhuǎn)輪的流固耦合分析是整個分析的重點。雖然在三維建模的時候也對蝸殼和尾水管進行了建模，但目的僅僅是為了形成完整的流道。

根據(jù)轉(zhuǎn)輪在運行時的受力特點，在轉(zhuǎn)輪上冠與發(fā)電機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、尾水管包圍的整個流道構(gòu)成，由于推動轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的部分水體具有明顯的旋轉(zhuǎn)周期特性，因此以轉(zhuǎn)輪流體域為界將整個流體域分為三個部分，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，在尾水管擴散段的尾部出口設(shè)置為開放式邊界，壓力為一個標準大氣壓。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、尾水管所在的兩個流體計算域均采用靜止坐標系，轉(zhuǎn)輪域采用旋轉(zhuǎn)坐標系，要將整個計算域連接起來，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，同時，該交界面適合穩(wěn)態(tài)模擬并具有占用資源少的優(yōu)點，因此兩個交界面的類型均為冰凍轉(zhuǎn)子。最后，三個流體域的計算模型均為-ε模型。

2.4計算結(jié)果

從上圖4可以看出，結(jié)構(gòu)分析模塊沒有Results單元，這是因為在雙向流固耦合分析的計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壓力、靜態(tài)坐標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，其他計算參數(shù)可通過相應(yīng)的后處理進一步查看。

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

參考文獻：

[1]鄭源，陳德新.水輪機[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[2]黃源芳，劉光寧，樊世英.原型水輪機運行研究[M].北京：中國電力出版社，2010.4.

[3]張立翔，王文全，姚激.混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片流激振動分析［J］.工程力學(xué)，2007（08）：143-150.

[4]肖若富，朱文若，楊魏，等.基于雙向流固耦合水輪機轉(zhuǎn)輪應(yīng)力特性分析 [J].排灌機械工程學(xué)報，2013，31(10): 862-866.

點科技項目（RB1217），浙江省科技廳研究計劃項目（2013C32020）。

中圖分類號：TK730

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）06-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.001

收稿日期：2015-04-01

基金項目：浙江省水利廳一般科技項目（RC1458），浙江省水利廳重

作者簡介：方兵（1976-），男，講師，研究方向：水輪機振動數(shù)值分析。