水轮机数值模拟：两相流+被动运动

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水轮机是一种广泛应用在水利发电领域的流体机械，是水电站内的主要发电设备，其主要功能是将水流的动能转化为机械能，再带动发电设备将机械能转化为电能。相较于火电发电设备而言，水轮机具有显著的环保特性，可提供清洁可再生的清洁能源。

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。

现代发电用水轮机可以分为两类，冲击式水轮机和反击式水轮机，冲击式水轮机主要由水流的动能做功，做功过程中压力基本保持不变；反击式水轮机则由水流的动能和压力能共同做功。冲击式和反击式水轮机由根据结构特征的不同，有如下分类：

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

1 相分布

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）

实云流体仿真软件配置的LEVEL SET方法可以准确地捕捉到气液界面，仿真结果可以较好地展示水流从接触到脱离的全过程：水流最先到达叶片与叶片间的漏斗区域，接触叶轮壁面后水柱两侧分离出两股向前和向后的水流，而大部分水在漏斗内随叶轮转动，随后，漏斗内的水流被逐渐甩出，甩出的水流沿着叶片壁面的延长线运动，呈放射状。

2 速度分布

速度分布结果如下所示：

速度分布图（实际速度）

速度分布图（放慢视角）

图中入口水流速度为5m/s，在重力的作用下，水流在到达叶片前逐渐加速；接触叶片后，水流在被叶片甩出时进一步进行加速。与此同时，水轮机周围的空气也呈现出明显的速度变化。

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。