混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪流場單向雙向流固耦合數(shù)值的分析比較研究論文
由于流固耦合問題考慮到流體和結(jié)構(gòu)之間存在的相互作用的特性，既涉及流體域求解又涉及固體域求解，使得計(jì)算結(jié)果更接近物理現(xiàn)象本身的規(guī)律，近年來在水輪機(jī)虛擬設(shè)計(jì)、仿真及振動(dòng)特性分析中應(yīng)用得越來越廣泛和深入。目前，流固耦合的求解問題有順序單向耦合(后文均用單向耦合表述)和迭代雙向耦合(后文均用雙向耦合表述)。梁權(quán)偉等運(yùn)用單向耦合的方法進(jìn)行了三維旋轉(zhuǎn)流動(dòng)所產(chǎn)生的水壓力作用下轉(zhuǎn)輪體的靜強(qiáng)度特性分析及轉(zhuǎn)輪在水介質(zhì)中的模態(tài)分析，陳香林等計(jì)算并分析了應(yīng)力剛化及流體壓縮性對混流式水輪機(jī)葉片動(dòng)力特性的影響，張雙全、李海亮等運(yùn)用ANSYS-CFX軟件進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪應(yīng)力、位移等力學(xué)特性計(jì)算和分析。由于單向耦合只考慮流體壓力對于結(jié)構(gòu)場的影響，不考慮結(jié)構(gòu)場對流場的影響，計(jì)算結(jié)果在原理上存在誤差。
近幾年，隨著流固耦合技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，雙向流固耦合算法研究及應(yīng)用逐漸引起學(xué)者的重視。在水力機(jī)械雙向流固耦合計(jì)算方面，目前可查文獻(xiàn)還較少，張立翔等利用廣義變分原理進(jìn)行了水輪機(jī)葉片雙向流固耦合模態(tài)分析，計(jì)算的模態(tài)頻率與試驗(yàn)測試值基本吻合，H Schmucker等借助AN?SYS-CFX軟件計(jì)算了低水頭水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片單向耦合和雙向耦合問題，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪剛度對計(jì)算結(jié)果的一致性影響很大，肖若富等通過對流體方程和結(jié)構(gòu)方程的雙向迭代分析了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪在雙向耦合下的應(yīng)力特性，得出轉(zhuǎn)輪變形量大小是單、雙向耦合計(jì)算結(jié)果差別的重要因素的結(jié)論。
本研究結(jié)合某小型水電站水輪機(jī)建立精確的蝸殼、轉(zhuǎn)輪、尾水管流道模型，進(jìn)行低水頭低轉(zhuǎn)速和高水頭高轉(zhuǎn)速兩種工況下單、雙向流固耦合計(jì)算對比，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。
1 流固耦合理論
通常流體流動(dòng)的守恒定律包括質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒，對于一般不考慮能量傳遞的水輪機(jī)內(nèi)部水流運(yùn)動(dòng)可以用如下質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程來描述。
2 計(jì)算模型
本研究結(jié)合某小型水電站型號為HL360A-LJ100的混流式水輪機(jī)建立了精確的水輪機(jī)蝸殼、葉輪和尾水管三維模型，將模型導(dǎo)入ANSYS-CFX軟件，所生成的全流道流體模型及轉(zhuǎn)輪模型。
在水輪機(jī)數(shù)值模擬中，轉(zhuǎn)輪及其所在的流體域是分析的重點(diǎn)。轉(zhuǎn)輪材料為合金鋼0Gr3Ni5Mo，密度7 850 kg/m3，彈性模量210 MPa，泊松比0.3，轉(zhuǎn)輪直徑1 000 mm，葉片數(shù)13。由于流體域和結(jié)構(gòu)域形狀都異常不規(guī)則，該計(jì)算中采用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，單元尺寸通過設(shè)置relevance值進(jìn)行控制(該方法可根據(jù)物理場的特性及relevance值自動(dòng)控制網(wǎng)格大小)，為保證計(jì)算精度，該計(jì)算中將relevance值設(shè)為最大值100。
3 邊界條件和計(jì)算工況
流體域?yàn)橛晌仛ぁ⑥D(zhuǎn)輪、尾水管包圍的全流道，流場入口壓力設(shè)定為由水頭產(chǎn)生的靜水壓力，流場出口設(shè)定為開放式出口，出口壓力為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，轉(zhuǎn)輪所在流體域與轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)體接觸部分定義為流固耦合邊界。轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)中最為關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)過流部件，可指定其所在水體的旋轉(zhuǎn)速度。在結(jié)構(gòu)分析中，本研究根據(jù)轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行時(shí)的受力特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)輪上冠與發(fā)電機(jī)主軸連接處施加沿著轉(zhuǎn)輪軸向的位移約束以及繞軸旋轉(zhuǎn)的力矩約束，力矩方向與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相反。
4 計(jì)算過程及結(jié)果分析
4.1 計(jì)算過程
為了比較兩種耦合算法計(jì)算結(jié)果的區(qū)別，本研究分別采用單向耦合法、雙向耦合法對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算。
本研究首先在模塊C中對水輪機(jī)流場進(jìn)行全流道CFD分析，計(jì)算得到葉片表面的水壓力分布;然后通過流固耦合邊界把水壓力分布傳遞給轉(zhuǎn)輪，在模塊D中進(jìn)行轉(zhuǎn)輪應(yīng)力計(jì)算。
4.2 結(jié)果分析
對比表3、表4可得出如下結(jié)論：
(1)流體域和結(jié)構(gòu)域的耦合作用越強(qiáng)，則采用單向耦合得到的計(jì)算值偏差也越大。如前所述，由于順序單向耦合不考慮固體對流體的作用，相當(dāng)于令雙向流固耦合離散式(5)中的Afs=0 ，在原理上存在計(jì)算偏差，流固耦合越強(qiáng)，則計(jì)算偏差越大。工況1(相對弱耦合)下流體域最大絕對壓力、靜態(tài)坐標(biāo)系中的最大速度和結(jié)構(gòu)域轉(zhuǎn)輪上的最大正應(yīng)力、最大彈性應(yīng)變、最大總位移的偏差值分別為 6.78%、6.29%、2.39%、2.13%、0.69%;工況2(相對強(qiáng)耦合)下上述5個(gè)物理量對 應(yīng) 的 偏 差 值 分 別 為 14.22% 、9.98% 、35.02% 、35.00%、32.30%，工況2下5個(gè)物理量的相對偏差全面大于工況1的單向偏差。
(2)無論是流體域還是結(jié)構(gòu)域中，5個(gè)物理量的單向耦合最大值均小于相應(yīng)工況下雙向耦合最大值。
5 結(jié)束語
為了比較水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪單向流固耦合和雙向流固耦合兩種算法計(jì)算結(jié)果的.區(qū)別，本研究以浙江省境內(nèi)某小型水電站混流式水輪機(jī)為對象，采用UG三維造型軟件建立了構(gòu)成水輪機(jī)流道的3個(gè)基礎(chǔ)部件-蝸殼、轉(zhuǎn)輪、尾水管的精確三維模型。將該三維模型導(dǎo)入ANSYS-CFX軟件，生成對應(yīng)的流體域及結(jié)構(gòu)域計(jì)算模型，在該模型的基礎(chǔ)上計(jì)算了低水頭、低轉(zhuǎn)速工況和高水頭、高轉(zhuǎn)速工況下的單向、雙向流固耦合問題。最后對比了兩種工況單向、雙向耦合時(shí)轉(zhuǎn)輪表面流體域上的最大壓力、最大速度及轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)域上的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變、最大總位移等關(guān)鍵計(jì)算值，并結(jié)合雙向流固耦合離散方程簡要分析的基礎(chǔ)上得出如下結(jié)論：
(1)由于單向耦合不考慮結(jié)構(gòu)域變形對流體域的影響，在原理上存在計(jì)算偏差，通過將本研究兩種工況下的單向流固耦合計(jì)算結(jié)果對比顯示，單向耦合作用越強(qiáng)，計(jì)算偏差越大;
(2)筆者對同一流場和結(jié)構(gòu)場(網(wǎng)格劃分、初始條件、邊界條件均相同)構(gòu)成的流固問題分別做單向、雙向耦合方法做計(jì)算時(shí)，無論是流體域還是結(jié)構(gòu)域的計(jì)算值，相同節(jié)點(diǎn)的單向耦合計(jì)算值均小于理論上更為精確的雙向耦合計(jì)算值。
上述結(jié)論對水輪機(jī)流道設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)輪及葉片設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)輪應(yīng)力特性計(jì)算均具有參考意義。
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