CFD应用于液力透平叶轮设计与应用

摘要：对CFD技术正广泛用于水力机械特性研究和应用进行系统介绍，针对液力透平关键部件叶轮在能量回收，透平发电中起到的关键作用，并对高扬程液力透平叶轮进行设计分析和液力透平叶轮的改进与发展做出相应总结与建议。

Abstract： The widely use of CFD technology in research and application of hydraulic mechanical property are systematically introduced， corresponding conclusions and recommendations are made for design and analysis and improvement and development of the hydraulic turbine impeller， which is the key part in the energy recovery， and plays a key role in the turbine power generation.

關键词：CFD技术；液力透平；叶轮；综述

Key words： CFD technologies；hydraulic turbine；impeller；review

中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）04-0106-04

0 引言

液力透平是针对高压余能进行能量回收并具有长远经济效益的节能装置。伴随国家经济飞速发展，由于存在能源利用率低下、资源消耗过渡的现状，节能装置的开发利用作用更较突显出来。近年来，伴随计算机技术的成熟和发展[1]，在能量回收领域关于液力透平设计的发展有了较大突破，得益于人们对CFD技术的借鉴和应用，人们已从原始数据测量和真机实验延伸到数值模拟和模型试验上，为水力设计带来更有效的研究手段。设计人员伴随CFD技术的进一步完善，可以通过流场特性分析得到的数据，针对液力透平特点进行有效修改，完善透平装置的设计和优化，丰富了液力透平设计的理论和办法。

1 CFD技术概述

1.1 CFD技术介绍

CFD技术是计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）的简称[2]，CFD技术的迅速崛起与计算机技术的快速发展密切相关，研发人员经过几十年的探索与开发，使得今天CFD技术已广泛应用到科学研究的诸多领域中，是一门在包含流体力学分析、数值计算方法和计算机图形处理分析的综合技术[3]。其基本原理是利用能量守恒偏微分方程求解流体运动的基本运动规律的数值模拟。从而通过分析计算结果来近似模拟模型流动区域的流体流动情况。CFD技术由4部分构成，即：数值建模、网格划分、CFD求解和后处理。数值建模是CFD技术的基础，在液力透平设计中以基本参数为参考建立几何模型并计算分析模拟结果得到了直观的参数分析因素，能够真实模拟液力透平内部流场复杂的流动情况，并提供可视化效果，使其科研人员更方便的进行流场运动分析，完善设计中的缺陷。

在流体流动问题的研究中，新兴的CFD技术与过去传统理论分析分析方法、实验校核测量分析方法相结合组成一套完整体系[4]。理论分析方法计算结果虽具有普遍性，但通常是在经验公式和理论的基础上获得的结果，因此所得结果不能保证在各种情况下结果的准确性。试验测量方法通过实验数据结果验证问题，所得到的试验结果真实有效，从而为理论分析和数值方法的研究奠定了基础。然而，试验多受到外界条件限制，所得结果很难与实验理想目标相统一。而CFD技术恰好能有效的解决两者缺陷并在有效时间内完成实验结果的研究和分析，并能精确的描述设备与过程，解决了实验结果数据表现形式的单一性。

利用CFD研究流体运动，对液力透平内部流场进行分析和研究，是泵行业未来发展的重要方向，但目前研究方法尚不成熟，且应用到工程实际中需要一定周期，因此开展此项工作必须建立在总结以往的设计方法、经验和科研成果的基础上，结合试验研究并理论联系实际，反复研究整理才能得到合理的设计理论和设计方法。

1.2 CFD技术商业性软件

近些年，CFD技术的迅速发展，使得其在流体力学中应用得到广泛应用，人们意识到在处理相关问题时，它的作用不容忽视。常用的CFD软件有两类，一类是以有限体积法为核心，如FLUENT、STAR-CD、PHOENICS，另一类是以有限元法为核心，如FIDAP。还有的是将两类方法结合在一起，如CFX-TASCflow采用基于有限元理论的有限体积法。目前在水力机械中使用最广泛的CFD软件是FLUENT、CFX—TASCflow和STAR-CD[5]。

而CFD技术经过四十年发展，出现多种数值解法。FEM的并行是当前和将来应用的一个不错的方向。对于水力机械，还可计算得到任意两个过水断面间的水力损失、泵的扬程，预测叶轮上的扭矩及泵的水力效率。而CFD技术精度问题一直困扰研究人员，准确判断其准确性和正确性是有待解决的现实问题。因在处理同一物理问题上所采用的建立几何模型和计算方法的不同，而得到不同的计算结果。

在处理流体流动问题上，商业软件的广泛开发应用极大的推动了针对泵技术研究和优化问题，有效的缩短在实验研究阶段因对泵内部流场分析数据手段不足而限制研究进度，进而增强设计研发人员的主观能动性。

1.3 CFD技术应用现状

目前对液力透平的研究，仍多以泵反转式透平为主，由于反转泵效率低于正常泵工作效率，因而泵的结构优化显得尤为重要。国内学者杨军虎、袁亚飞等在泵反转做透平以及结合CFD技术对液力透平的研究为泵技术的理论成果提供了大量技术资料与经验，其中通过对叶片泵增加导叶和优化叶片等措施，实现了不同工况条件的液力透平效率的改善。国外学者则通过对水轮机的研究，利用CFD技术对比实验所得数据对液力透平及透平泵的改进提出了可贵意见。

由于CFD技术可以结合目前三维软件模型进行数值模拟，通过对三位实体模型的网格划分与求解，在CFD后处理软件中可以通过强大的数据分析与可视化操作，将液力透平的传统设计进行全新的系统升级，改善了以往实验型结果分析单一性，大大缩短了在设计过程中的时间与物力人力消耗。王福军在CFD软件原理与应用中详细介绍了CFD技术在当前各领域的运用与扩展。袁寿其、刘厚林等学者通过总结泵类流体机械研究进展与展望，对现代泵理论的研究具有重要意义[6]。

目前在湍流模型的选择中，FLUENT软件提供了标准的k～ε模型、k～ω模型、雷诺应力模型（RSM），不同的湍流分析应选择则合适的湍流模型[7]。而在流体分析计算中由于计算流体力学流场实验研究难度和耗费均比较大，因此在有些使用过程中不能对计算结果和计算精度做出深入研究，而是修正實验计算结果，所以使CFD计算的准确缺乏可信度。另外在CFD使用过程中缺少认识和深入理解，无法针对软件缺陷提出可靠性建议，在软件二次研发上不能有所突破。目前使用的网格主要有结构化网格、非结构化网格以及混合网格等[8]。并且在划分网格的使用中，针对非结构化网格的流体粘性解决办法不能有效解决，是当前CFD技术应用面临的困难问题。

2 叶轮设计分析

2.1 建立方程和建模

第三步如图3所示进行网格化分，设置相关参数，其节点为120598，单元数有153386，并在ICEM CFD中进行边界设置，主要以进出口与壁面为主。

完成相关操作后，在FLUENT中进行计算求解，本模型选择稳定性好与计算精度高的标准k～ε模型，选择介质为清水，给定进口速度为4.5m/s，进口初始压力4.8MPa，出口压力为10MPa。

如图4所示设置求解参数，并选择SIMPLE算法，初始化流场参数，保存文件并进行迭代计算，观察分析结果并保存数据。

由以上迭代残差图分析可得，计算500步后各项数据大致趋于收敛。如图5～图7所示分别为叶轮内部速度大小与矢量，叶轮内部动压力和总压力分布情况。从图7中分析可得，叶轮内部流速均匀，未产生压力过大产生的涡流现象。

2.3 结论及建议

通过对高扬程液力透平叶轮数值建模分析，得出在设计高扬程液力透平过程中，需要对叶轮模型的叶片形状、进出口安放角、叶片厚度做出合理设计[11]，并通过改善液力透平模型的进出口角度以及叶轮转速调节液力透平回收效率，改善高扬程液力透平性能[12]。

进行液力透平设计必须要对内部流场特性进行分析，通过观测表明，水力机械内部流动在多数情况下处于湍流状态，流场由各种不同尺度的湍流涡叠合而成[13]。这些涡具有旋转结构，涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的[14，15]。由于湍流的复杂性，很难通过试验来掌握水力机械内部的湍流状态，而近几年快速发展起来的计算流体动力学（CFD）理论和方法，给我们认识水力机械湍流流动提供了一种新的途径，对揭示水力机械流场流动特性与结构动力特性间的复杂关系，具有潜在的优势。未来CFD技术发展格局，更多面向解决工程实际应用问题，优化计算系统，实现数值模拟和流体分析运算有机结合，实现计算结果的优化，完成对工艺设备的优化升级，在液力透平研究中，实现节能装置的产业信息化，提升二次能源利用率；建立高效、实用、精确、便捷的复杂网格化分技术，实现云计算在CFD技术中的有效应用，将是未来CFD技术的发展趋势；发展CFD集成技术，实现其与CAD/CAM/SOLIDWORKS/PORE无缝衔接，建立一体化平台，针对不同物理量的分析运算建立不同分析模块，提高应用效率；为了提高CFD技术在液力透平研究与设计的应用，应逐步建立评判标准体系。

3 结语

CFD技术发展趋于多元化、高精度、高适应性、集成化与模块化、建立统一的应用发展平台势在必行，在计算机飞速发展大势影响下，CFD技术工程实际应用在不断投入实践，是为社会实现高效、准确的科研实践提供有效措施，逐步带动实现信息化处理产业高速发展。通过对高扬程液力透平叶轮设计分析得出在针对特定工况要求下液力透平关键部件研究为改善能量回收效率及透平发电中有建设性论据，为流体分析计算提供良好的解决方案不断优化科研实践中难题。

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