基于Ansys-CFX的混流式水轮机转轮双向流固耦合数值模拟方法

2015-07-28金连根张仁贡毛建生浙江同济科技职业学院浙江杭州323浙江大学电气工程学院浙江杭州30027

水电站机电技术 2015年6期

方　兵，金连根，张仁贡，胡　杰，单　澜，毛建生（.浙江同济科技职业学院，浙江杭州 323；2.浙江大学电气工程学院，浙江杭州 30027）

方兵1，2，金连根1，张仁贡1，胡杰1，单澜1，毛建生1
（1.浙江同济科技职业学院，浙江杭州 311231；2.浙江大学电气工程学院，浙江杭州 310027）

摘要：结合某电站水轮机主要尺寸及运行参数，使用UG软件建立了精确的水轮机蜗壳、叶轮、尾水管三维模型，将模型导入到ansysworkbench中，借助ansys cfx分析工具实现了全流道水轮机转轮双向流固耦合的数值模拟，为水轮机流固耦合问题提供了一种更为合理和精确的数值模拟方法。

关键词：混流式水轮机；转轮；双向；流固耦合；数值模拟

0　引言

混流式水轮机具有结构简单、运行稳定、水头适用范围宽广、制造技术较为成熟等优势，在水电站机组中长期占居主导地位[1]。转轮是水力发电设备中的重要部件，近年来，随着水轮机比转速值不断提高，影响混流式水轮机的稳定运行的机组振动和转轮叶片裂纹问题逐渐突出，国内如广西岩滩电站、青海李家峡电站等,国外如美国大古力电站、委内瑞拉古里电站[2]等在投入运行后都出现了转轮、叶片振动、裂纹、共振损坏等事故。转轮在水中的旋转是典型的流固耦合问题，随着计算科学及数值分析方法的不断发展，采用CFD技术研究转轮的运行特性是转轮可靠性设计的重要环节，近年来在水轮机设计及水电站改造中应用越来越广泛和深入。流固耦合的求解问题有顺序单向耦合和迭代双向耦合，其中单向耦合只考虑流体对结构的影响，不考虑结构对流体的影响，计算精度相对较差。目前水力机械流固耦合问题分析以单向耦合为主，双向流固耦合的应用较为少见，在国内仅查询到张立翔[3]、肖若富[4]等学者进行过这方面的研究，鉴于此，在浙江省水利厅科技项目支持下，笔者对水轮机转轮双向流固耦合方法进行了研究。

1　三维建模及网格划分

结合某小型水电站型号为HL360A－LJ100的混流式水轮机，使用UG三维造型软件分别建立精确的水轮机蜗壳、叶轮、尾水管三维模型，然后将模型装配，导出为igs文件，再将igs模型文件导入ansysworkbench软件，利用软件的fillby caps功能即可生成全流道流体模型，如图1所示。转轮模型可通过相应igs文件导入，在ansysworkbench软件中直接生成，如下页图2所示。

在水轮机数值模拟中，转轮及其所在的流体域是分析的重点。转轮材料为合金钢0Gr3Ni5Mo，密度7 850 kg/m3，弹性模量210MPa，泊松比0.3，转轮直径1 000mm，叶片数13。单元类型为四面体单元，整个水轮机流道计算域划分的单元数为2023 207，节点数360326，转轮体单元数为50877，节点数为93 451。

图1　全流道流体网格模型

图2　转轮结构网格模型

2　转轮双向流固耦合流体域分析

本文使用ANSYSworkbench 14.5进行转轮流固耦合计算。在该版本的workbench中，ansys可以和cfx进行双向流固耦合计算，即对一个包含结构和流体计算域的模型可以分别在ansys和cfx中同时进行计算，数据进行实时交换耦合。对于从ansys传来的网格位移，cfx中可以自动进行网格变形，无需使用动网格技术。双向流固耦合的分析流程如图3所示，workbench中的分析模块组成及连接图如图4所示，对转轮的分析多以稳态为主，同时稳态分析也是模态分析的基础，故本文也选择了稳态分析。

图3　双向流固耦合分析流程图

图4　转轮双向流固耦合模块及连接

2.1水轮机流固耦合计算参数

由水能出力公式[1可知，水轮机基本参数包括：工作水头、流量（m3/s）、输出>功率、水力效率，另外还有工作力矩（N·m）、机组转速。由于通过活动导叶调节流量从而实现对机组输出功率的调节不是本文的研究重点，故省略了对活动导叶的建模。通过调研获取的电站基本参数为：额定水头320m，额定功率5.21MW，额定转速1000r/min，设计效率90%，最终将计算参数确定为

2.2转轮结构域设置

转轮由上冠、下环和叶片组成，其作用是将水能转换为转轮旋转动能，带动发电机发电，属于水轮机组中的最为核心的过流部件，造成机组运行不稳定的机械和水力两大主要因素都可能通过转轮反应出来，因此对转轮的流固耦合分析是整个分析的重点。虽然在三维建模的时候也对蜗壳和尾水管进行了建模，但目的仅仅是为了形成完整的流道。

根据转轮在运行时的受力特点，在转轮上冠与发电机主轴连接处施加沿着转轮轴向的位移约束（0mm）以及绕着轴向的力矩约束（55278 N·m），力矩方向与转轮旋转方向相反，转轮绕主轴的转速约束为（1 000 r/min），最后将上冠下侧、叶片、下环内侧设置为双向流固耦合接触面。如图5所示。

图5　转轮约束施加

2.3流体域设置

流体域由蜗壳、转轮、尾水管包围的整个流道构成，由于推动转轮转动的部分水体具有明显的旋转周期特性，因此以转轮流体域为界将整个流体域分为三个部分，依次为蜗壳流体域、转轮流体域、尾水管流体域，如图6～8所示。

图6　蜗壳流体域及流场压力入口

图7　转轮流体域及域交界面

图8　尾水管流体域及开放式出口边界

在蜗壳流体域上根据电站水头在蜗壳进口处设置入口压力边界条件由于尾水管的作用除了使流过水轮机的水通过尾水管流向下游以外，还可以使转轮出口的水流能量有所降低，以增加转轮前后的能量差，回收部分水能，因此，在尾水管扩散段的尾部出口设置为开放式边界，压力为一个标准大气压。在转轮流体域上同样需要设置水体转速（1 000 r/min），另外，由于蜗壳、尾水管所在的两个流体计算域均采用静止坐标系，转轮域采用旋转坐标系，要将整个计算域连接起来，需要设置转轮域的接触边界。无论从蜗壳流入转轮，还是从转轮流入尾水管，水的流入速度均大于流出速度，符合冰冻转子交界面的使用特点，同时，该交界面适合稳态模拟并具有占用资源少的优点，因此两个交界面的类型均为冰冻转子。最后，三个流体域的计算模型均为-ε模型。

2.4计算结果

从上图4可以看出，结构分析模块没有Results单元，这是因为在双向流固耦合分析的计算过程中通过流体域和结构域的数据交换，最终将结构分析结果和流体分析结果都保存在流体模块的Results中。

图9～13显示了计算完成后得到的流体域上与转轮接触部分流体上的绝对压力、静态坐标系中的速度分布和结构域转轮上的正应力、弹性应变和总位移分布，其他计算参数可通过相应的后处理进一步查看。