水轮机数值模拟：两相流+被动运动
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。
水斗式水轮机
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，关于这两种方法的特点，可查询公 众号往期文章。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
采用实云流体仿真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。
计 算 设 置
计 算 结 果
采用实云流体仿真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。
相分布图（实际速度）
相分布图（放慢视角）
速度分布结果如下所示：
速度分布图（放慢视角）
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，实云流体仿真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，实云流体仿真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。 |
