1多机组水轮机叶片 动态受力及流场分析2摘要.2 1、引言.2 2、建模.3 1.三维模型建立.3 2.网格划分.3 3.Fluent 求解器设定.4 3、控制方程.4 4、试验结果分析.4 4.1 载荷分析.4 4.2 流场分析.7 （1） 、单机试验.7 （2） 、单排试验.7 （3） 、双排试验.83摘要摘要利用数值模拟的方法探究不同情况下水轮机叶片受到的动态载荷，探究受动载荷最小的最佳排布方案。指导尾流场建设，减少机组受力，增加水底下水轮机的稳定性。1、引言、引言目前，潮流能发电项目样机的研制工作已经取得了阶段性成果，许多企业和科研机构都研制出了各种各样的潮流能获能装置，下一阶段海洋能事业主要的工作是海上发电场的建设。比如 TGL 已经完成了 500kw 发电装置的研制，下一阶段的目标是到 2014 年建立一个 10MW 的示范发电场。由于潮流能发电机组受水文条件影响巨大，所以要充分考虑到水下流体对水轮机的冲击作用。太大的受力将导致水轮机底座发生偏移甚至倾覆。所以要充分考虑到水轮机叶片受到的动载荷的作用。2、建模、建模图一 机组排布示意图1.三维模型建立三维模型建立由于 NACA63-8XX 翼型性能较好，所以试验及数值模拟选用 NACA63-8XX 翼4型。水平轴水轮机转子选用三叶片转子，转子的旋转直径是 0.25m。选用三维制图软件 Solidworks 进行三维制图，完成的图纸导入到快速成型机，加工出试验模型（图二） 。2.网格划分网格划分将三维图导入到 Gambit 中，进行数值模拟前处理的网格划分。数值模拟的流体计算域按照实际试验水槽尺寸建立，宽 3m，水深 2m，长 10m。采用四面体非结构网格对整个流域和旋转区域进行网格划分，并且对旋转区域进行网格加密处理，如图三所示。图二 流域网格（左）以及旋转区域加密网格（右）3.Fluent 求解器设定求解器设定流体为三维不可压流动，采用分离式求解器隐式算法，变量和湍流粘性参数采用二阶迎风格式以提高模拟精度。入口边界条件为速度入口，试验时实际进口流速为 0.45m/s，水轮机转子转速为 80r/min。出口为自由流出口，水槽壁面为无滑移壁面，转子壁面为转动壁面。本文的数值模拟研究，各个水轮机转子有相同的旋转方向和旋转相位。3、控制方程、控制方程连续方程：0iiu x动量方程：5()()jijjijjjjiuuuuuP txxxxx 其中：ui，uj速度分量，m/s；xi，xj位置坐标分量；P流体压力，Pa；流体动力粘性系数。4、试验结果分析、试验结果分析4.1 载荷分析载荷分析图三 单机机组和纵向间距 2.5D 水轮机叶片受到的动载荷图四 纵向间距 1.5D 和 2D 水轮机叶片受到的动载荷表一 不同纵向间距下推力及转矩大小1.5D2D2.5D单机B11.5511.5551.546推力(N) B21.5431.5481.5471.544B1-0.0381-0.0381-0.0381转矩(N.m) B2-0.0378-0.0382-0.0379-0.0378结论：61、纵向间距为 2D 的时候，水轮机叶片受到的动态载荷最大2、纵向间距 1.5D 和 2.5D 情况下的动态载荷高于单机组叶片受到的动态 载荷，低于纵向间距为 2D 情况下受到的动态载荷3、叶片受到的转矩在四种情况下大小相当。水轮机叶片发电主要靠转矩作用，有上表可以得出在纵向间距为 1.5D 和 2.5D 的情况下，水轮机叶片受到的轴向动载荷最小，但是转矩相差不大。这两个情况下水轮机叶片的工作情况都要优于纵向间距为 2D 的情况。图五 轴向间距 3D 和 4D 水轮机叶片受到的动载荷图六 轴向间距 5D 水轮机叶片受到的动载荷表二 不同纵向间距下推力及转矩变化情况叶片3D4D5D单机B11.5461.5481.549B21.5511.5531.554推力（N）B31.56941.5611.5391.544B1-0.0381-0.0382-0.0382B2-0.0384-0.0384-0.0385转矩（N.m） B3-0.0392-0.039-0.0383-0.03787结论：1、 前排叶片受到的载荷同样存在差异，变化幅度在 0.32%2、 第二排水轮机叶片距离第一排叶片距离越远，前排水轮机叶片受到的载荷越大3、 第二排水轮机叶片距离第一排叶片距离越近，后排水轮机叶片受到的载荷越大4、 前排叶片转矩大小不受第二排叶片的影响，三种情况下转矩大小基本稳定5、 第二排水轮机叶片的转矩随轴向距离的增大而减少，变化幅度在 2.35%4.2 流场分析流场分析图七 单机流场和纵向间距为 1.5D 的尾流场模拟图图八 纵向间距为 2D 和 2.5D 的尾流场模拟图结论：（1）、单机试验）、单机试验a、流体在水轮机叶片正后方 5D 范围内速度锐减，之后在周围流场的影响下速度逐渐恢复，在 10D 位置上可以恢复到初始速度的 90%以上；b、流体经过叶片后，在叶片后方形成涡旋，该区域不仅速度动荡严重，速度方向甚至会与入口流体的速度方向相反，对叶片造成负压，8（2）、单排试验）、单排试验a、不同的轴向间距对推力和转矩没有显著影响，推力最大增幅为 0.71%（2D 情况下） ，扭矩最大增幅 1.06%（2D 情况下） ，b、在低精度的流场分布下，纵向间距越小，显著影响区域越远，c、在低精度的流场分布下， 1.5D 和 2D 情况中，显著影响区域混合在一起形成一个大流场，在 2.5D 情况中，显著影响区域彼此分开，形成两个单独的流场；d、在高精度的流场分布下，在第一排水轮机后足够远的区域，水槽中心位置的流体流速高于入口流速，越靠近水槽边界，流体速度降低越明显，并且此种速度变化不同于边界效应。e、两个叶片中间位置轴向线上的流速先增后降，在 4D-8D 之间流速达到最低值之后，流速平稳增长，最高流速超过入口速度的 1.7%。3D 4D 5D 图九 轴向间距分别为 3D、4D、5D 情况下的模拟9图十 下游 7D、10D、15D、20D 位置上纵向速度分布图（3）、双排试验）、双排试验结论： a、后排的叶片对前排叶片受到的轴向力以及推力没有影响。 b、后排叶片受到的推力从 3D 到 5D 逐渐减少，在 5D 位置上，后排受到的轴向力最小， 此时的轴向力甚至可以小于前排叶片受到的轴向力。 c、后排叶片的存在会影响前排叶片形成的流场，在低精度显示下的流场，原本分开的 两个独立流场因为后排叶片的出现又重新混合在一起，形成一个单独的流场，该流场的影 响区域更加宽广。 d、不同轴向间距的叶片分布，在轴向距离 15D 以内差距较大，15D-20D 之间为过渡阶 段，20D 之后，基本没有差距。此时流场界面速度分布为中间略低，两边略高，有比较明 显的对称性。