基于cfd的水泵水輪機(jī)制動區(qū)流動特性分析

基于cfd的水泵水輪機(jī)制動區(qū)流動特性分析

目前，中國在電氣系統(tǒng)中使用的發(fā)電容量正在增加。雖然大型熱電站的燃料消耗率低，但由于結(jié)構(gòu)原因，不適合在變化的負(fù)荷下運(yùn)行。迫切需要調(diào)節(jié)能力的設(shè)備可以滿足能源的需求。利用引水蓄能器，可以將電網(wǎng)的剩余功率轉(zhuǎn)變?yōu)楦叻鍟r(shí)的高價(jià)值能量。它還可以調(diào)節(jié)和調(diào)節(jié)相位，穩(wěn)定電氣系統(tǒng)的周波和電壓，作為事故的備用設(shè)備，提高系統(tǒng)中火電站和核氣站的效率。對于水泵水輪機(jī)而言,其轉(zhuǎn)輪直徑大,離心力作用大,在水輪機(jī)工況運(yùn)行過程中,受水流自身慣性驅(qū)動的影響,水的進(jìn)流速度會很快下降,當(dāng)其轉(zhuǎn)速超過飛逸轉(zhuǎn)速,水泵水輪機(jī)就會進(jìn)入水輪機(jī)制動工況,流量會發(fā)生很大的變化,如果這種慣性力不消失反而增加,轉(zhuǎn)輪離心力將水反向推出,則會進(jìn)入反水泵工況.掌握水輪機(jī)制動工況的流動特性,可以有效地防止水泵水輪機(jī)不穩(wěn)定運(yùn)行,為水泵水輪機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo).目前有關(guān)水輪機(jī)制動工況的研究較多,但是針對水泵水輪機(jī)制動工況的研究,主要在模型試驗(yàn)以及真機(jī)測試方面展開,通過數(shù)值模擬的方法分析其流場特征和外特性的報(bào)道卻很少見.為研究水輪機(jī)制動工況的流場特性,文中詳細(xì)分析了轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉以及尾水管內(nèi)的流動特征,并對其外特性進(jìn)行研究.1微織構(gòu)類型mmp水泵水輪機(jī)的幾何參數(shù)分別為轉(zhuǎn)輪直徑D=0.3m,葉片數(shù)Z1=9,導(dǎo)葉數(shù)Z2=20,導(dǎo)葉高度h=33.36mm,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.采用ICEM建立非結(jié)構(gòu)化的六面體與四面體網(wǎng)格,葉片和導(dǎo)葉采用8層邊界層網(wǎng)格結(jié)構(gòu).水泵水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速為900r/min,以導(dǎo)葉開度20°為例,工作流量為0.265m3/s,水泵水輪機(jī)制動區(qū)即轉(zhuǎn)輪力矩小于0的流動區(qū)域,流量為0.150m3/s時(shí)力矩為0,單位化后對應(yīng)的Q11=320L/s.2流量模型和邊界條件2.1層流完善的聚合反應(yīng)規(guī)則應(yīng)用計(jì)算流體動力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬,為了能較好地捕捉壁面區(qū)域流動特征,采用SSTk-ω湍流模型,其控制方程為??t(ρk)+??xi(ρkui)=??xj(Γk?k?xj)+Gk?Yk+Sk??t(ρk)+??xi(ρkui)=??xj(Γk?k?xj)+Gk-Yk+Sk,(1)??t(ρω)+??xi(ρωui)=??xj(Γω?ω?xj)+Gω?Yω+Dω+Sω,(2)??t(ρω)+??xi(ρωui)=??xj(Γω?ω?xj)+Gω-Yω+Dω+Sω,(2)式中Gk=μtS2,為由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動能,其中S為表面張力系數(shù),μt為湍流黏度;Gω=αωGk/k,ω為單位耗散率;Γk,Γω分別為k與ω的有效擴(kuò)散項(xiàng);Dω為正交發(fā)散項(xiàng);Sk與Sω為自定義項(xiàng);Yk,Yω來源于擴(kuò)散產(chǎn)生的湍流.計(jì)算過程中采用定常方法研究水泵水輪機(jī)制動區(qū)不同流量下的流動特征,即式(1)和(2)中的時(shí)間項(xiàng)為0.壓力和速度的耦合采用SIMPLEC算法.計(jì)算過程中壓力項(xiàng)采用二階精度來重建表面壓力,湍動能項(xiàng)、湍動能耗散率項(xiàng)和速度項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式.2.2動導(dǎo)葉和尾鹽水交界面在蝸殼進(jìn)口給定進(jìn)口速度;水泵水輪機(jī)出口定為壓力出口;轉(zhuǎn)輪的進(jìn)出口與活動導(dǎo)葉和尾水管的交界面采用Interface類型,近壁處采用壁面函數(shù)進(jìn)行處理;調(diào)整近壁區(qū)的Y+值,使其小于1,其中Y+=ρuy/μ,ρ為流體的密度,u為壁面剪切速度,y為近壁點(diǎn)到壁面的距離,μ為流體的黏度.3水泵的水力模型為了驗(yàn)證網(wǎng)格大小對計(jì)算精度的影響,選取6種尺度的網(wǎng)格,對同一流量下的水頭H進(jìn)行模擬計(jì)算,并以試驗(yàn)測得的水頭為參照,比較結(jié)果如圖2所示.由圖2中數(shù)據(jù)可以看出,隨著網(wǎng)格尺度的減小,水頭與試驗(yàn)值逐漸趨近.為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間,以下結(jié)果均選取第5組尺度網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算.水泵水輪機(jī)水力模型的網(wǎng)格數(shù)分別為轉(zhuǎn)輪868841;蝸殼和導(dǎo)葉2475726;尾水管388455;節(jié)點(diǎn)總數(shù)1404349.4調(diào)查和檢測導(dǎo)葉振動的動力學(xué)特性選取活動導(dǎo)葉開度γ=20°,對等開度線上水輪機(jī)制動區(qū)域進(jìn)行數(shù)值模擬,研究不同流量下水泵水輪機(jī)特性.圖3為z=0截面的局部速度矢量圖.可以看出,當(dāng)水泵水輪機(jī)的單位流量較小時(shí),在導(dǎo)葉之間以及蝸殼內(nèi)部會出現(xiàn)一系列的渦結(jié)構(gòu),而且渦結(jié)構(gòu)成類周期性分布,每個(gè)固定導(dǎo)葉的入口都存在一個(gè)大尺度的渦結(jié)構(gòu).流體出現(xiàn)回流渦的原因是由于在單位流量較小時(shí),流體從蝸殼進(jìn)入導(dǎo)葉的流動方向與導(dǎo)葉進(jìn)口邊存在較大的沖角,并且由于轉(zhuǎn)輪葉片流道長,離心力作用大,使轉(zhuǎn)輪外緣形成了一個(gè)旋水環(huán),旋水環(huán)產(chǎn)生的慣性阻力超過流體流動的動力,阻礙流體正常的流動,使流體產(chǎn)生回流,導(dǎo)致大量渦結(jié)構(gòu)的出現(xiàn).隨著流體流速的增大,轉(zhuǎn)輪外緣的旋水環(huán)產(chǎn)生的阻力小于流體的動力,蝸殼內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)首先消失,活動導(dǎo)葉出現(xiàn)較小尾跡渦.在水泵水輪機(jī)力矩為0時(shí)旋水環(huán)的阻力已不能抑制流體順利地進(jìn)入轉(zhuǎn)輪內(nèi)部,在導(dǎo)葉和蝸殼內(nèi)部流體流動規(guī)則,不存在完整的渦結(jié)構(gòu).圖4為轉(zhuǎn)輪展開面速度矢量圖.可以看出,轉(zhuǎn)輪葉片展開面速度矢量隨流量的變化而改變.水輪機(jī)制動工況零流量附近時(shí)在葉片間進(jìn)口處存在較大的回流渦結(jié)構(gòu),回流渦結(jié)構(gòu)隨著流量的增大向葉片出口方向移動并且逐漸消失.隨著流量的增大,當(dāng)水泵水輪機(jī)處于零力矩時(shí),轉(zhuǎn)輪內(nèi)部已不存在回流渦結(jié)構(gòu)(見圖4c).水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片屬于前傾式葉片,水輪機(jī)制動工況處于零流量附近時(shí),導(dǎo)葉間緩慢的流動被轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動帶入高速旋轉(zhuǎn)區(qū)域,動能的變化梯度較大,蝸殼和導(dǎo)葉間的低速旋流經(jīng)過活動導(dǎo)葉出口和轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口處的環(huán)流突變?yōu)檩^大流速的流動.高速的環(huán)流由于流向與轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口存在較大沖角,在葉片間產(chǎn)生類似的射流現(xiàn)象,高速射流使葉片進(jìn)口處存在低壓區(qū),當(dāng)勢能大于流體的動能時(shí),會誘導(dǎo)流體在葉片進(jìn)口產(chǎn)生一個(gè)較強(qiáng)的渦.隨著流量的增大,轉(zhuǎn)輪內(nèi)的失速現(xiàn)象向入口移動并逐漸消失.圖5為活動導(dǎo)葉開度分別為20°和30°時(shí)的特性曲線.可以看出,導(dǎo)葉開度越大,同一單位流量所需的轉(zhuǎn)速越高,水輪機(jī)制動區(qū)的流量范圍越大,但是其進(jìn)入制動區(qū)的轉(zhuǎn)速越高,水輪機(jī)方向運(yùn)行穩(wěn)定性高.數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果誤差很小,因此用數(shù)值模擬方法計(jì)算的制動區(qū)特性曲線完全滿足工程計(jì)算需要.圖6為制動工況的水頭曲線.可以看出,隨著導(dǎo)葉開度的增大,水輪機(jī)制動區(qū)對應(yīng)的水頭減小.在力矩為0時(shí)水輪機(jī)方向的水頭最低,這是由于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口前傾式葉片傾角過大和葉片內(nèi)流道過長造成的.圖7為截面的渦量圖.由圖7可以看出,水輪機(jī)制動工況的渦量較大即能量損失較多的區(qū)域主要集中在轉(zhuǎn)輪進(jìn)出口以及活動導(dǎo)葉之間的流域.隨著流量的增加,轉(zhuǎn)輪出口的渦量值逐漸減小,轉(zhuǎn)輪入口及葉片流道內(nèi)的渦量逐漸增大.當(dāng)流量大于飛逸轉(zhuǎn)速下的流量時(shí),渦量分布均勻,渦量較大的區(qū)域出現(xiàn)在水輪機(jī)工況的壓力面,此時(shí)能量損失減小.水輪機(jī)制動區(qū)的能量損失主要集中在葉片出口活動導(dǎo)葉的壓力面附近.水輪機(jī)方向流量較小時(shí),由于轉(zhuǎn)輪的高速旋轉(zhuǎn)尾水管內(nèi)的流體呈螺旋狀運(yùn)動,在尾水管中間形成螺旋的低壓回流區(qū),在尾水管出口段產(chǎn)生回流渦結(jié)構(gòu),如圖8所示.尾水管內(nèi)部流動復(fù)雜,螺旋狀運(yùn)動與回流相互作用,易誘發(fā)較大的壓力脈動,最終使水輪機(jī)制動區(qū)運(yùn)行不穩(wěn)定.5水輪機(jī)制動工況通過數(shù)值模擬方法計(jì)算水泵水輪機(jī)同一開度下的特性曲線,選取試驗(yàn)測試中的工況點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對比符合良好.(1)活動導(dǎo)葉開度越大,水輪機(jī)方向進(jìn)入制動區(qū)的轉(zhuǎn)速越高,運(yùn)行穩(wěn)定性增加.(2)水輪機(jī)方向零流量附近時(shí),轉(zhuǎn)輪流道、固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉之間以及蝸殼中會出現(xiàn)較多的