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1三維數(shù)值模擬基本控制方程

水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)基本方程為連續(xù)方程及時(shí)均Navier－Stokes方程。

2數(shù)值模擬方法

本文就水輪機(jī)段進(jìn)行了造型和數(shù)值模擬，計(jì)算域由進(jìn)出口段、轉(zhuǎn)輪及兩側(cè)導(dǎo)流葉片組成．各部分網(wǎng)格單獨(dú)生成，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行精細(xì)劃分，網(wǎng)格單元數(shù)168萬(wàn)～270萬(wàn)（網(wǎng)格單元數(shù)隨輪轂比的減小而增加）．采用多重運(yùn)動(dòng)參考系MRF模型（MultipleRef－erenceFrame）處理動(dòng)葉片的旋轉(zhuǎn)問題，近壁處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)．方程壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式．采用SIMPLEC算法，實(shí)現(xiàn)壓力和速度變量的分離求解．盡管波力直驅(qū)水輪機(jī)性能主要取決于波浪狀況（如波高、波周和波高與水深的比值等），然而，當(dāng)根據(jù)預(yù)期的安裝位置設(shè)計(jì)水輪機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)點(diǎn)的水輪機(jī)性能是非常重要的，因此，水輪機(jī)性能的測(cè)試需要設(shè)定無(wú)波浪的工作條件，如單向流入、恒定流量和恒定水頭．計(jì)算中，在進(jìn)口給定總壓，出口壓力設(shè)為0．水頭計(jì)算范圍1～5m，水頭間隔為0．5m．水輪機(jī)流量通過計(jì)算得到．在壁面處采用無(wú)滑移邊界條件．水輪機(jī)效率按下式計(jì)算：

3數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果及分析

3.1工作特性計(jì)算所采用的水輪機(jī)基本尺寸為轉(zhuǎn)輪直徑D1＝0．3m，輪轂比dh／D1＝0．7（dh為輪轂直徑），徑間比G／lr＝0．45（G為導(dǎo)流葉片與轉(zhuǎn)輪動(dòng)葉片間距，lr為轉(zhuǎn)輪動(dòng)葉片徑向弦長(zhǎng)），導(dǎo)流葉片數(shù)為24個(gè)，轉(zhuǎn)輪動(dòng)葉片數(shù)為21．1）水頭特性曲線圖3為該水輪機(jī)在同一轉(zhuǎn)速下的水頭特性曲線．在水頭H＝1．5～4．5m范圍內(nèi)，水輪機(jī)效率較高，均高于70％，且在此區(qū)間幅值變化不大，也即水輪機(jī)具有寬廣的高效率區(qū)，對(duì)水頭變化的適應(yīng)性強(qiáng)．由于水輪機(jī)過流通道為直通道，流量Q隨著水頭的增加而增加，而水輪機(jī)效率變化不大，因此輸出功率P也隨著水頭的增加而增加．也就是說(shuō)，對(duì)于這種直通道、固定導(dǎo)葉式水輪機(jī)，定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)輸出功率P主要取決于水頭H．值得注意的是，圖3中的H－η效率曲線呈雙駝峰狀．H－η曲線呈雙駝峰狀的主要原因是葉片流道為三維彎曲的，流道中的流動(dòng)與彎管流動(dòng)近似，在離心力作用下葉片流道中易產(chǎn)生二次流．圖4為垂直于轉(zhuǎn)軸的橫剖面中二次流分布圖．H＝3m時(shí)在葉片流道靠近輪轂附近存在較強(qiáng)的二次流，造成局部壓力下降，引起額外的水力損失，導(dǎo)致效率下降．而H＝2m時(shí)沒有出現(xiàn)明顯的二次流，H＝4m時(shí)情況類似．2）轉(zhuǎn)速特性曲線圖5為該水輪機(jī)同一水頭下的轉(zhuǎn)速特性曲線．隨著轉(zhuǎn)速的升高，水輪機(jī)效率先快速上升后緩慢下降，n＝120rad／min時(shí)效率最高η＝71．8％．而水輪機(jī)過機(jī)流量隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，近似成線性關(guān)系，從而導(dǎo)致輸出功率P隨著轉(zhuǎn)速的升高先升后降，n＝100rad／min時(shí)，輸出功率最大，為2633W．

3.2徑間比和輪轂比對(duì)水輪機(jī)性能的影響徑間比和輪轂比對(duì)波力直驅(qū)水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作性能均有重要的影響，因此有必要進(jìn)一步對(duì)此開展研究．1）不同徑間比下水輪機(jī)性能圖6給出了不同徑間比G／lr條件下波力直驅(qū)水輪機(jī)的工作性能．計(jì)算工況為水頭H＝3m、轉(zhuǎn)速n＝120rad／min，水輪機(jī)輪轂比保持不變（dh／D1＝0．7）．隨著徑間比G／lr的增加，水輪機(jī)效率η、過機(jī)流量Q和輸出功率P均先升后降．徑間比G／lr過小時(shí)，動(dòng)靜部分水力干涉強(qiáng)，局部水力損失大且水流穩(wěn)定性差；而徑間比G／lr過大時(shí)，轉(zhuǎn)輪兩側(cè)導(dǎo)流葉片209的導(dǎo)流作用減弱，轉(zhuǎn)輪效率下降．徑間比G／lr＝0．27時(shí)效率η、流量Q和輸出功率P均達(dá)到最大．2）不同輪轂比下水輪機(jī)性能圖7給出了不同輪轂比dh／D1條件下波力直驅(qū)水輪機(jī)的工作性能．計(jì)算工況為水頭H＝3m、轉(zhuǎn)速n＝120rad／min，水輪機(jī)徑間比G／lr＝0．27．隨著輪轂比dh／D1的增加，水輪機(jī)效率先升后降，輪轂比dh／D1＝0．55時(shí)效率η最高達(dá)到83．5％．而水輪機(jī)過機(jī)流量Q、輸出功率P均隨輪轂比dh／D1的增加而下降，緣于隨著輪轂比dh／D1的增加，轉(zhuǎn)輪過流斷面積隨之減小．

4結(jié)論

本文利用Fluent軟件對(duì)一種應(yīng)用于波浪能轉(zhuǎn)換的配有固定導(dǎo)流葉片的波力直驅(qū)水輪機(jī)進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，數(shù)值模擬結(jié)果表明：1）該波力直驅(qū)水輪機(jī)具有寬廣的高效率區(qū)，對(duì)水頭變化的適應(yīng)性強(qiáng)，這些優(yōu)點(diǎn)為將該水輪機(jī)應(yīng)用于波浪及潮汐低水頭電站提供了有力的支持．2）定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，輸出功率主要取決于水頭．3）H－η曲線呈雙駝峰狀，主要原因是葉片流道彎曲，存在二次流，造成局部壓力下降，引起額外的水力損失，導(dǎo)致效率下降．4）波力直驅(qū)水輪機(jī)在穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行時(shí)，水頭H＝3m、轉(zhuǎn)速n＝120rad／min、水輪機(jī)徑間比G／lr＝0．27、輪轂比dh／D1＝0．55時(shí)，效率達(dá)到最高，為83．5％．

作者：肖惠民于波單位：武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院水力機(jī)械過渡過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室