试析CFD技术在水力机械研究中的应用

张瑜

摘 要 随着计算机容量和速度的提升，CFD数值模拟技术的应用范围不断扩展，高水力性能水力机械开发便属于CFD技术的重点应用领域。基于此，本文将简单介绍CFD技术在水力机械研究中的应用路径，并结合实例深入探讨CFD技术的应用要点，希望研究内容能够直观展示CFD技术的应用价值。

关键词 CFD技术;水力机械;LES方法

前言

在水力机械研究过程的CFD技术应用中，气液两相流计算、泥沙磨损预测研究、转轮性能优化与预测、相互结合的流体和强度计算、非定常流计算均属于其中代表。为更好发挥CFD技术优势，满足水力机械研究需要，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。

1CFD技术在水力机械研究中的应用路径

1.1 常用方式

在水力机械的研究中，气液两相流计算、泥沙磨损预测研究、转轮性能优化与预测、相互结合的流体和强度计算、非定常流计算均属于其中代表。以气液两相流计算为例，气液两相流问题属于自然界中很多工程问题的具体表现，该问题广泛存在于水力机械内部，水泵和水轮机的空化流动便属于典型的气液两相流问题。对于部分负荷条件下运行的混流式水轮机来说，不稳定流很容易产生于尾水管内部，呈螺旋状摆动的涡带也会因此出现，最终引发低频压力脉动，并导致空蚀、噪声、功率摆动、厂房与机组振动现象，水电站因此受到的危害同样需要得到重视。气液两相流动属于尾水管涡带流与空化流动的本质，因此必须深入研究气液两相流动，才能够实现对尾水管流动规律的理解和掌握，满足水力机械研究需要。在基于CFD技术开展的以气液两相流计算研究中，结合已有的相关计算模型，如基于贴体坐标和有限体积法的气液两相湍流两流体计算模型，配合CFD技术，即可通过数值模拟获得相关数据，为开展空化流动和尾水管涡带气液两相流动奠定坚实基础。在水力机械水力稳定性预测领域，CFD技术做出的预测仅能够作为参考，这是由于CFD计算天然存在计算效率和计算精度层面的限制所致，CFD技术在水力不稳定机理与特性、缩短计算时间、提高计算精度方面存在的更高追求也需要得到重视[1]。

1.2 发展方向

为保证CFD技术更好地服务于水力机械研究，近年来学界围绕CFD在水力机械研究中的应用开展了大量理论研究和实践探索，CFD技术的应用发展方向也因此逐渐明确，如加强LES方法应用、提高数值模拟精度、加强重点部位流动计算等。在加强LES方法应用中，需重点研究水力机械流动精准数值预测过程中LES方法的应用，如以有限体积法离散过程作为研究切入点，提出针对性的滤波方案满足水力机械湍流计算精度控制需要;提高数值模拟精度同样能够为水力机械研究提供支持，如两相流研究与水力稳定性研究均可由此实现长足推进，具体研究需关注计算方法和计算模型的提出和优化。以上文提及的气液两相流计算为例，为基于CFD计算实现计算的优化，需重点关注空泡生成、发育、溃灭和回弹的动态过程，水气之间、气泡之间的相互影响也需要得到重视，结合复杂的能量、动量、质量交换机理，即可推进空化流理论和数值模型的发展，这一过程还需要考慮水力机械的运行特点、流道特点;水力机械研究涉及的重点部位较为多样化，如间隙、近壁区，围绕这类部位开展的CFD研究需关注水力机械及主流区的整体流动，并深入分析迷宫环、间隙、近壁区等部位流动带来的影响，由此作为研究切入口，即可保证CFD技术的应用可实现从“粗放”向“精细”发展的内部流场数值研究，水力机械流动特性可由此实现更为全面的研究，CFD技术的优势也可由此实现最大程度发挥[2]。

2实例分析

2.1 具体应用方向

为提升研究的实践价值，本文以多相泵复合导叶优化设计中CFD技术的应用作为研究对象，其中多相泵属于多相混输系统的核心部件，而作为油气混输泵能量转换的核心部件，螺旋叶轮对混输泵的重要性不言而喻，为更好满足提高和改善混输泵能量转换的需要，CFD技术的应用需围绕多相泵水力效率与流道内不同安放位置间关系开展研究，具体研究采用ANSYS18.0软件，以此对多相泵流道内气液两相的速度矩变化规律、气液分布变化规律、压能、动能开展全面研究，即多相泵导叶优化设计即可获得CFD技术应用提供的有力支持。

2.2 CFD技术的具体应用

研究对象为螺旋轴流式油气混输泵，其单级额定扬程、额定轴功率、设计流量、转速、效率分别为25m、55kW、100m3/h、

2950r/min、33%。多相泵模型动叶的轮缘直径、出口轮毂直径、进口轮毂直径、叶片包角、叶片数分别为230mm、180mm、170mm、214°、4，短静叶与长静叶叶片数均为8，长静叶、短静叶包角分别为44°与22°，半锥角为4°，结合诱导轮设计理论，可通过计算得出75mm的轴向长度结果。在具体优化中，结合三级增压单元几何模型，即可针对性设计出3种复合静叶，这一过程需要以压水室的整个流道、三级增压单元、吸水室作为计算域，以此开展数值模拟，并对加密处理局部计算域，提高计算精确性，采用3687254个计算域网格数。基于气液两相流存在的异常复杂流动结构，研究不考虑状态方程，忽略气相可压缩性，以此简化计算模型，由此可得出气相动量方程：

（1）

式中的M、f、p、g、u、、分别为介质的表面张力、质量力、压力、下标，气相、通过增压单元流道介质的速度、介质密度、介质体积分数，液相动量方程为：

（2）

式中的l与分别为下标，液相、动力黏度。由此针对性采用FLUENT18.0软件，并选择静叶、叶轮、吸水室、压水室作为数值计算域，采用Mixture模型作为计算模型，采用RNGk-ε模型作为湍流模型，速度压力耦合方式为SIMPLEC，采取光滑水力壁面作为计算域壁面，设置0.0001的数值计算残差，由此开展计算即可满足多相泵复合导叶优化设计需要。

3结束语

综上所述，CFD技术在水力机械研究中的应用需关注多方面因素的影响。在此基础上，本文涉及的常用方式、发展方向、CFD技术的具体应用等内容，则直观展示了水力机械研究中CFD技术的应用路径。为更好发挥CFD技术优势，监测仪器设备的应用、安全自动化监测等发展方向同样需要得到重视。

参考文献

[1] 荀洪运，胡江艺，刘德民.基于压差法的水泵水轮机模型径向水推力测试研究[J].东方电气评论，2019，33（01）：57-62.

[2] 崔生磊.气液混输泵复合导叶优化及内部流动特性研究[D].兰州：兰州理工大学，2018.