CFD仿真技术在水轮机产品设计中的应用简介

CFD技术在水轮机领域广泛应用使其地位变得越来越重要。其中主要原因是：在模型转轮制造之前就可以采用CFD对水力设计进行优化，这样可以大大减少模型试验的时间和费用。其次，采用CFD可以对最终设计的转轮叶片型线进行优化，这在传统的模型试验方法中是几乎不可能的。  

下文是CFD仿真技术在解决水轮机产品研发过程中部分常见工程问题的简要介绍：

1、水轮机的水力设计

• 蜗壳的水力设计

• 固定导叶、活动导叶的水力设计

• 转轮的水力设计

• 尾水管的水力设计

  
  

水轮机的效率是考察其性能的最重要的指标之一。借助ANSYS强大的数值分析工具，工程师可以在模型实验之前对水力设计的质量进行综合且细致的评判。

2、水轮机的压力脉动

• 尾水管涡带的仿真

• 叶道涡、卡门涡仿真

• 转轮和导叶的动静干涉

• 非设计工况的压力脉动

• 过渡过程的压力脉动

ANSYS软件可以分析水轮机运行中的非定常水力激励力。通过比较转轮内与转轮外流道的水压力脉动特性，分析动静干涉、叶道涡、卡门涡等引起的压力脉动频率与幅值特性，分析脉动传递与衰减等影响。总结发现尾水管内涡带引起的压力脉动与受其影响的转轮内的压力脉动的联系，找出了两者之间的频率计算公式，及不同运行工况不同涡带特性下的计算公式的修正方法。

3、水轮机的空化

• 不同水头、导叶开度下的空化状态

• 空化-效率曲线计算

• 空化引起的压力脉动

  
  

ANSYS软件可以进行水轮机全流道空化流计算，得到内部两相空化流场的详细情况，预测水轮机的空化性能。

4、含沙水流分析及磨损预测

• 颗粒多相流仿真

• 材料磨损的定性、定量分析

• 优化转轮设计（进口直径和出口直径等设计参数的选择、转轮叶片的改进设计）

  
  

水轮机泥沙磨损不仅与过机水流的含沙量，沙粒的矿物成分、硬度、形状、粒径、运动速度等有关，而且受水轮机的设计、水力模型（包括叶型、流道）的空化特性及过流部件所采用材料的影响。在水力设计上，可借助于ANSYS数值模拟进行磨损预测分析。

5、其他（结构、流固耦合问题）

• 水轮机、发电机结构部件的刚强度分析

• 水轮机、发电机结构部件的疲劳分析

• 转轮湿模态分析

• 水轮机多物理场分析（结构 流体）

  
  

随着水轮机单机容量的不断提高、新材料的使用、机组运行水头变幅大，转轮的水力动载荷和裂纹问题明显增多，影响机组的安全运行。运用ANSYS软件的结构分析、流体分析以及耦合分析可以帮助工程师更好的解决水轮机的结构场、耦合场问题。