不要让涡流绳束缚您的水轮机

Fidelity CFD 2023年5月25日浏览：1218

Cadence 的产品工程经理 Wout Poncelet 和 Numlberica 的 Hydro CFD 顾问 Remi Lestriez 讨论了水轮机内部的流动特性，并展示了可靠的 CFD 模拟，以在非设计条件下对涡流绳进行建模和分析。标题为使用 Omnis CFD 平台模拟水轮机的视频演示可在CadenceTECHTALK 上获得。

介绍

在水电领域，水轮机主要用于将落水的能量转化为旋转机械能，然后再转化为电能。混流式水轮机或反应式水轮机属于出现在高达 800 MW 功率范围内的水轮机类别。这些涡轮机的特点是径向流入、入口叶片、转轮和通过尾水管的轴向流出。它们可以在很宽的时间范围内快速响应任何负载变化。

不要让涡流绳束缚您的水轮机的图1 不要让涡流绳束缚您的水轮机的图2 不要让涡流绳束缚您的水轮机的图3

图 1. 引导水流进入水轮机的入口叶片（左侧）、GAMM 涡轮机的几何结构（中间）以及涡轮机的部件，即导流管、叶片和转轮（右侧）。

在其最佳效率点的大约 50% 到 70% 的负载下，混流式水轮机会产生空化涡绳，这会导致压力波动。这种部分负载浪涌也称为Rheinganz 频率。此处产生的频率约为涡轮转速的 1/3。运行中的这种不稳定行为不仅在部分负载下观察到，而且在标称满载和过载时也观察到。在本次 Cadence TECHTalk 中，演讲者讨论了涡流绳对水轮机设计带来的不同挑战，以及如何在非设计条件下准确分析涡流绳。

涡流绳带来的挑战

涡绳是混流式水轮机尾水管锥体中高雷诺数时发生的一种不稳定现象。在此类涡轮机的尾水管中观察到两种类型的涡流：

满载脉动涡流绳
部分载荷下的螺旋涡流绳。

在非设计条件下运行的水轮机尾水管内的流动通常具有复杂的涡流特征，这会导致气蚀现象。涡流绳的频率通常在转轮转速的 30% 到 50% 范围内。

不要让涡流绳束缚您的水轮机的图4

图 2. 涡绳出现在水轮机的尾水管中。

如图 2所示，涡流绳会导致尾水管中出现压力脉动，从而导致结构振动、功率波动和脉动压力恢复，这是水电行业的一个主要问题，因为它们会导致系统性能降低或限制涡轮机的工作范围。因此，准确模拟涡绳并分析相应的压力波动至关重要。

解决方案

使用 CFD 模拟分析设计和非设计条件下的涡轮机性能变得非常容易。第一步，应在稳态条件下模拟涡轮机设计以研究效率点。然后，在非设计条件下对其进行模拟，以可视化流动中的涡流。尾水管中的涡流以低压区域为特征，可以通过速度流线（图 3）或静压等值面来观察。根据用户输入的准确性和湍流模型的选择，可以将涡绳建模为接近文献值的频率。为了改进涡绳建模的结果，特别是捕捉强涡流，雷诺应力方程模型 (RSM) 被推荐。

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图 3. 速度流线显示水轮机内的涡绳。

另一种可视化流动中涡流的方法是使用 Q 准则（它定义涡量大小大于应变率的涡流）。对于相同的几何形状，可以应用多个设计条件，例如，使用相同的网格生成和模拟设置的叶片的多个开口，以节省大量时间。

Omnis 平台的用户利益

Cadence Omnis 是一个端到端平台，可在一个环境中对涡轮机械应用进行网格划分、仿真和分析。Omnis 为涡轮机械应用提供简化的工作流程，包括行业最佳实践。可以在同一个 Omnis 项目中生成和组合单个几何体的结构化和非结构化网格。如图 4所示，对于水轮机，尾水管的非结构化网格在 Omnis Hexpress 上执行，而叶轮和导叶的结构化网格在 Omnis Auto Grid 上执行。

不要让涡流绳束缚您的水轮机的图6 不要让涡流绳束缚您的水轮机的图7

图 4. 使用 Omnis Auto Grid 的转轮叶片、导流叶片和固定叶片的结构化网格（左侧）和使用 Omnis Hexpress 的尾水管的非结构化网格（右侧）。

在处理不稳定或偏离设计的模拟时，需要设置每次旋转的时间步长。为了加速模拟，可以使用 Omnis OpenLabs 更改整个模拟的时间步长。Openlabs 中的 Omnis Open-Pressure-Based Solver (PBS) 是一种易于使用的多物理场求解器，可提供快速准确的结果；并完全集成到 Omnis 平台中。Omnis 还提供了一个用于后处理的自定义界面，为同一项目启用不同的视图。如图 5所示，用户可以使用单一界面观察叶片到叶片切口之间的静压、速度流线以及尾水管内的 3-D 流场图像。

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图 5. 单个界面上仿真的不同视图（左侧）以及功率和效率方面的性能是使用山图（右侧）计算和可视化的。