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VirtualFlow 水轮机数值模拟:两相流+被动运动

水轮机是一种广泛应用在水利发电领域的流体机械,是水电站内的主要发电设备,其主要功能是将水流的动能转化为机械能,再带动发电设备将机械能转化为电能。相较于火电发电设备而言,水轮机具有显著的环保特性,可提供清洁可再生的清洁能源。

水轮机的雏形——水车,早在公元前100年(汉武帝时期)就出现在了中国,千百年来,人们使用水车进行汲水灌溉和驱动粮食加工机械(如磨坊),直到现在,在国内一些地区,仍可看到水车的身影,但更多是起到观赏作用,让大家认识古人在利用水利资源方面的智慧。

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现代发电用水轮机可以分为两类,冲击式水轮机和反击式水轮机,冲击式水轮机主要由水流的动能做功,做功过程中压力基本保持不变;反击式水轮机则由水流的动能和压力能共同做功。冲击式和反击式水轮机由根据结构特征的不同,有如下分类:

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水斗式水轮机

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轴流式水轮机

其中,水斗式水轮机的主要特点是:水流以射流的方式沿转动水斗的切线方向冲击叶片,由于该种水轮机是利用水流的动能做功,因此一般应用在小水流、大水头的水利条件下。本文选取此类型水轮机进行仿真计算。

水轮机的CFD计算,属于典型的气液两相流问题,通常需要应用的计算模型有湍流模型、多相流模型、空化模型、运动模型等。在多相流模型模型中,为了刻画水流冲击叶片时的两相界面,通常使用VOF方法和LEVEL SET方法实现界面捕捉。此外,水轮机在水流作用下的运动属于被动运动,同时涉及六自由度问题。

模 型 设 置

采用VirtualFlow软件对水轮机进行模拟分析,如图所示为计算模型的几何尺寸,其中,水流从上方沿管道进行射流,在初始速度和重力的作用下冲击水轮机叶片,驱动水轮机转动,除管道设置为壁面、入口为速度入口外,其余边界皆为压力出口。

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计 算 设 置

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计 算 结 果

1 相分布

采用VirtualFlow软件对水轮机进行仿真计算,得到相分布如下,其中红色部分为液相,蓝色部分为气相,水轮机在接触到水后开始转动,开始转动速度较慢,随后转速逐渐加快并基本保持稳定。



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相分布图(实际速度)


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相分布图(放慢视角)

VirtualFlow软件配置的LEVEL SET方法可以准确地捕捉到气液界面,仿真结果可以较好地展示水流从接触到脱离的全过程:水流最先到达叶片与叶片间的漏斗区域,接触叶轮壁面后水柱两侧分离出两股向前和向后的水流,而大部分水在漏斗内随叶轮转动,随后,漏斗内的水流被逐渐甩出,甩出的水流沿着叶片壁面的延长线运动,呈放射状。

2 速度分布

速度分布结果如下所示:

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速度分布图(实际速度)


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速度分布图(放慢视角)

图中入口水流速度为5m/s,在重力的作用下,水流在到达叶片前逐渐加速;接触叶片后,水流在被叶片甩出时进一步进行加速。与此同时,水轮机周围的空气也呈现出明显的速度变化。

本案例所模拟的水斗式水轮机虽然结构简单,但所使用的方法适用所有水轮机结构,即多相流模型+耦合运动模型,其中多相流模型中应用了LEVEL SET方法,可以较好的捕捉两相界面;耦合运动模型可以选择位移或旋转运动(本例为旋转)。

与其它商软相比,VirtualFlow软件在处理此类多相流被动运动问题时,具有以下优势:

  1. LEVEL SET方法相较于其他多相流方法(如VOF,MIXTURE),在分层流问题的解决上具有独特优势;

  2. 前处理方便,VirtualFlow软件使用笛卡尔网格,计算过程中网格始终保持不变,不需要使用动网格技术,避免了因为网格质量、动网格设置、时间步长引起的计算发散或者网格负体积;

  3. 处理被动运动问题时,只需指定密度,软件自动计算质量和转动惯量。






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第1楼 回复于: 2021-12-21

谢谢楼主的精彩分享!

 

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