Numerical Simulation of Three dimensional Turbulent Flow through a Francis Turbine Runner
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kin =
0. 005ui2n Xin =
C_
k3 /2 in
lin
( 7)
其中 lin是进口的混合长度。 设进口当量直径为 D ,则 lin = 0. 5D。 ( 2) 出口条件 在计算域的出口 , 各速度分量以及 k 和 X均取为第二类齐次边界条
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曹树良等: 混流 式水轮机转轮内部三维紊流的数值分析
件 , 即:
uj = 0 ( j = 1, 2, 3) , k = 0, X= 0
( 8)
n
n
n
→n为出口断面的单位法向矢量。
( 3) 固壁条件 固壁条件包括转轮的上冠、下环及叶片的吸力面和压力面。 在近壁
区 , 由于当地雷诺数较小 ,在充分发展的紊流区推得的标准 k -X模型的使用受到限制。 为
验结果来检验。 作为检查用上述方法编制的三维紊流计算程序可靠性的间接方法 ,吴玉
林 [6 ]用该程序计算了方断面 90°强弯管内的三维紊流 ,其结果和 Taylo r[7 ]的实验结果吻合
得较好。 最近 ,作者在与日本国九州工业大学的合作研究项目中 ,九工大对一比转速 nS=
70( m, m3 /s, r /mi n)的离心泵在设计工况时叶轮流道前盖板表面的压力场进行了测量 ,
eX= 1. 3。 方程 ( 1)、 ( 4)和 ( 5)构成一个支配转轮内部流动的封闭非线性方程组。
2. 边界条件
( 1) 进口条件 在计算域的进口 ,相对速度的各个分量取第一类边界条件 ,
uj|in = uj ( x , y , z ) ( j = 1, 2, 3)
( 6)
紊动能 k 和紊动能的耗散率 X分别由下列经验公式确定 [ 4 ] ,
-
C2X)
( 5)
上式中 x j ( j = 1, 2, 3)分别代表 x、 y、 z 坐标 , uj 分别代表相对速度 u、 v、 w , pk 为紊动能 k
的生成项 , 由下式确定:
pk =
_dt (
ui xj
+
uj xi
)
ui xj
紊流模型常数分别取 Rodi[3 ]建议的标准值: C_ = 0. 09 C1= 1. 44 C2= 1. 92 ek = 1. 0
wT z
0
x (_ ef f
u x
)
+
y (_ef f
v x
)
+
z (_ ef f
w x
)
-
p* x
+
2dkv
S=
x (_ ef f
u y
)
+
y (_ef f
v y
)
+
z (_ef f
w y
)
-
p* y
-
2dku
x (_ ef f
u z
)
+
y (_ef f
v z
)年 第 4期
水 力 发 电 学 报 JO U RN AL O F HYD RO EL EC T RIC EN GIN EERIN G
总第 59期
混流式水轮机转轮内部三维紊流的数值分析
曹树良 吴玉林 杨辅政
(清华大学水利系 北京 100084)
提 要
本 文基于 N -S方程 和标准 的 k -X紊 流模 型 , 采用 贴体 座标 和交 错网 格系 统 , 用 SIM P L EC算 法对一比转速 nS= 240( m , m3 /s, r /min)的混流式 水轮机模型 转轮内部的 流动进行 数值模拟 ,提出了三个典型工况时三维紊流数值计算结果 , 初步分析了转轮 的汽蚀和能量特 性 , 为改进设计提供了一些有益的参考资料。
图 2 计算区域
图 3 叶片区及其进出口附近网格划分
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曹树良等: 混流 式水轮机转轮内部三维紊流的数值分析
叶片表面的流动特性直接关系到转轮的水力性能。为此 , 主要讨论叶片表面的计算结果。 1. 压力分布 图 4为三个典型工况时叶片表面的等压线分布。 实线代表压力面的压力分布 , 而虚
线代表吸力面的压力分布。 正如前面所述 , 虽然压力的绝对值并无任何实际意义 , 但仍 可用来比较转轮不同区域的压力变化或不同计算工况时压力的变化 , 因为对所有计算工 况 , 在规定的计算点选用了同一参考压力 Pre。 根据图 4, 下列特点是值得注意的。
3. 数值方法
将上述控制方程 ( 1)、 ( 4)和 ( 5)转换到计算空间 a= (a,Z,Y) = (a1,a2 ,a3 ) ,可表示成下
列通用方程:
aj
dukh-
Γh(
h ai
ai xk
)
aj xk
=
Sh
( 11)
式中 Γh为扩散系数 , Sh为源项 ,h为广义变量 , h= 1为连续方程 , h= u , v , w 为 N -S方
关键词 紊流 数值分析 混流式水轮 机转轮
一、 引 言
转轮是水轮机的一个关键过流部件 ,转轮内部流动的研究对于提高水轮机效率 ,改善 水轮机性能有重要意义。由于实测转轮内部的流动仍然存在相当的困难 , 因此 ,用数值方 法研究转轮内部流场已成为改进和优化转轮设计的一个重要手段。 早期的研究大多基于 无粘性的准三维方法 [8- 10 ] , 因而很难提供转轮在能量和空化特性方面的有关信息。 随着 计算机技术和计算流体动力学的迅速发展 , 转轮内部三维紊流的数值分析已经成为可 能 , 并日益受到广泛的重视。
计算转轮为一根据 Ψu= 0的二元理论设计的模型转轮。 设计参数为: 比转速 ns= 240 ( m , m3 /s, r /mi n) , 单位流量 Q110 = 0. 98m3 / s,单位转速 n110= 82r /mi n。 模型转轮直径 D1= 1m, 水头 H= 1m ,叶片数 z= 14。 为分析比较在不同工况时转轮内部流动特性 , 分 别计算了三个典型工况: 设计工况 Q11 = Q110 , 大流量工况 Q11 = 1. 34Q11 0和小流量工况 Q11= 0. 714Q11 0。
程 ,h= k ,X则分别为 k 方程和 X方程。
方程 ( 11)的离散采用有限差分方法和交错网格系统 ,其中扩散项和源项采用二阶中
心差分格式 ,对流项采用混合差分格式。 离散方程的求解采用 SIM PL EC算法 [ 2]。
4. 数值计算的可靠性
由于混流式水轮机转轮内部流场实测资料的缺乏 ,目前的计算成果还难以直接用实
( 2) 在大流量工况 , 压力分布类似于设计工况。但与设计工况相比 ,叶片表面压力明显 降低。 这是因为速度水头增加所致。 值得注意的是 ,在大流量工况 , 低压区域的位置仍与设 计工况相同。但最低压力的值发生了显著的变化。 在叶片压力面上 , Pmin = - 1. 68 m H2 O , 在吸力面上 Pmin= - 1. 5 m H2 O。与设计工况相比 ,前者是设计工况的 3. 5倍 , 后者是设计 工况的 3. 9倍。 因此 ,对计算的模型转轮来说 , 流量的增加将显著增加汽蚀破坏的可能性。
_ef f = _ + _t
( 2)
为确定 _ t , 引入工程计算中广泛使用的 k - X紊流模型 [1 ] ,即
_t =
dC_
k2 X
( 3)
x j duj k -
(_ +
_t ek
)
k xj
= d( pk - X)
( 4)
x j dujX- (_ +
_eXt )
X xj
=
dX k (C1 pk
水 力 发 电 学 报
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其中:
E=
du duu-_ef f
ux duv -_ ef f
vx duw -_ ef f
wT x
F=
dv dvu-_ ef f
uy dvv -_ef f
vy dvw -_ef f
wT y
G=
dw dwu -_ef f
uz dwv -_ ef f
vz dw w -_ef f
up uf
=
κ1 l n( Ey+p ) kp =
uf2 Xp = C_
uf3 κyp
( 9)
式中: y+p
=
dufyp _
=
dC_1 /4 k1p /2 yp _
壁面摩擦速度 uf= fw /d,常数 E和 κ分别取值为 9. 0和 0. 419[ 4 ]。
( 4) 周期性条件 在转轮进口向上游和转轮出口向下游延伸的计算域中 ,两侧给定
( a) Q11= 0. 714Q110
( b) Q11= Q110 图 4 叶片表 面压力分布
( c) Q11= 1. 34Q110
( 1) 在设计工况下 ,无论是压力面还是吸力面 , 在叶片头部附近 , 从上冠到下环压力 分布比较均匀。 而在出口边 , 存在着显著的压力梯度 ,特别是在压力面。 换句话说 , 在叶 片压力面 ,从进口到出口 ,上冠附近压力降较小 ,而在下环附近压力降显著增加 , 从而导 致压力面在叶片出口与下环附近的区域内压力最低 ,其最小值为 Pmin = - 0. 48m H2 O。 与 压力面不同的是吸力面最低压力点并不在叶片出口附近 , 而是在下环附近距叶片出口约 为三分之一弦长的区域内 ,其最小值为 Pmin = - 0. 38m H2 O。 由此可见 , 汽蚀破坏最可能 的区域是上述下环附近的区域。 这和大量混流式转轮的实际运行经验是一致的。
本文以三峡水轮机组转轮内部流动的研究为背景 , 基于 N-S方程和标准的 K -X紊流 模型 [1 ] , 采用贴体座标和交错网格系统 , 用 SIM PL EC算法 [ 2]编制了三维紊流计算程序。 并对一比转速 nS= 240( m , m3 /s, r /min)的混流式水轮机模型转轮内部的流动进行数值 模拟 ,提出了三个典型工况 (设计工况 ,大流量工况和小流量工况 )时三维紊流数值计算结 果 ,初步分析了转轮内部的汽蚀和能量特性。 研制的程序可作为水轮机组转轮内部流场 分析 , 数值试验和性能预估的工具 ,为改进和优化转轮设计提供有益的参考资料。