混流式水輪機轉輪流場單向雙向流固耦合數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構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，使得計算結果更接近物理現象本身的規律，近年來在水輪機虛擬設計、仿真及振動特性分析中應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)。梁權偉等運用單向耦合的方法進行了三維旋轉流動所產生的水壓力作用下轉輪體的靜強度特性分析及轉輪在水介質中的模態分析，陳香林等計算并分析了應力剛化及流體壓縮性對混流式水輪機葉片動力特性的影響，張雙全、李海亮等運用ANSYS-CFX軟件進行了轉輪應力、位移等力學特性計算和分析。由于單向耦合只考慮流體壓力對于結構場的影響，不考慮結構場對流場的影響，計算結果在原理上存在誤差。
近幾年，隨著流固耦合技術和計算機軟、硬件技術的發展，雙向流固耦合算法研究及應用逐漸引起學者的重視。在水力機械雙向流固耦合計算方面，目前可查文獻還較少，張立翔等利用廣義變分原理進行了水輪機葉片雙向流固耦合模態分析，計算的模態頻率與試驗測試值基本吻合，H Schmucker等借助AN?SYS-CFX軟件計算了低水頭水輪機轉輪葉片單向耦合和雙向耦合問題，發現轉輪剛度對計算結果的一致性影響很大，肖若富等通過對流體方程和結構方程的雙向迭代分析了水輪機轉輪在雙向耦合下的應力特性，得出轉輪變形量大小是單、雙向耦合計算結果差別的重要因素的結論。
本研究結合某小型水電站水輪機建立精確的蝸殼、轉輪、尾水管流道模型，進行低水頭低轉速和高水頭高轉速兩種工況下單、雙向流固耦合計算對比，并對計算結果進行分析。
1 流固耦合理論
通常流體流動的守恒定律包括質量守恒、動量守恒、能量守恒，對于一般不考慮能量傳遞的水輪機內部水流運動可以用如下質量守恒方程和動量守恒方程來描述。
2 計算模型
本研究結合某小型水電站型號為HL360A-LJ100的混流式水輪機建立了精確的水輪機蝸殼、葉輪和尾水管三維模型，將模型導入ANSYS-CFX軟件，所生成的全流道流體模型及轉輪模型。
在水輪機數值模擬中，轉輪及其所在的流體域是分析的重點。轉輪材料為合金鋼0Gr3Ni5Mo，密度7 850 kg/m3，彈性模量210 MPa，泊松比0.3，轉輪直徑1 000 mm，葉片數13。由于流體域和結構域形狀都異常不規則，該計算中采用自適應網格劃分，單元尺寸通過設置relevance值進行控制(該方法可根據物理場的特性及relevance值自動控制網格大小)，為保證計算精度，該計算中將relevance值設為最大值100。
3 邊界條件和計算工況
流體域為由蝸殼、轉輪、尾水管包圍的全流道，流場入口壓力設定為由水頭產生的靜水壓力，流場出口設定為開放式出口，出口壓力為一個標準大氣壓，轉輪所在流體域與轉輪結構體接觸部分定義為流固耦合邊界。轉輪是水輪機中最為關鍵的旋轉過流部件，可指定其所在水體的旋轉速度。在結構分析中，本研究根據轉輪在運行時的受力特點，在轉輪上冠與發電機主軸連接處施加沿著轉輪軸向的位移約束以及繞軸旋轉的力矩約束，力矩方向與轉輪旋轉方向相反。
4 計算過程及結果分析
4.1 計算過程
為了比較兩種耦合算法計算結果的區別，本研究分別采用單向耦合法、雙向耦合法對轉輪進行應力計算。
本研究首先在模塊C中對水輪機流場進行全流道CFD分析，計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輪，在模塊D中進行轉輪應力計算。
4.2 結果分析
對比表3、表4可得出如下結論：
(1)流體域和結構域的耦合作用越強，則采用單向耦合得到的計算值偏差也越大。如前所述，由于順序單向耦合不考慮固體對流體的作用，相當于令雙向流固耦合離散式(5)中的Afs=0 ，在原理上存在計算偏差，流固耦合越強，則計算偏差越大。工況1(相對弱耦合)下流體域最大絕對壓力、靜態坐標系中的最大速度和結構域轉輪上的最大正應力、最大彈性應變、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(相對強耦合)下上述5個物理量對 應 的 偏 差 值 分 別 為 14.22% 、9.98% 、35.02% 、35.00%、32.30%，工況2下5個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構域中，5個物理量的單向耦合最大值均小于相應工況下雙向耦合最大值。
5 結束語
為了比較水輪機轉輪單向流固耦合和雙向流固耦合兩種算法計算結果的.區別，本研究以浙江省境內某小型水電站混流式水輪機為對象，采用UG三維造型軟件建立了構成水輪機流道的3個基礎部件-蝸殼、轉輪、尾水管的精確三維模型。將該三維模型導入ANSYS-CFX軟件，生成對應的流體域及結構域計算模型，在該模型的基礎上計算了低水頭、低轉速工況和高水頭、高轉速工況下的單向、雙向流固耦合問題。最后對比了兩種工況單向、雙向耦合時轉輪表面流體域上的最大壓力、最大速度及轉輪結構域上的最大應力、最大應變、最大總位移等關鍵計算值，并結合雙向流固耦合離散方程簡要分析的基礎上得出如下結論：
(1)由于單向耦合不考慮結構域變形對流體域的影響，在原理上存在計算偏差，通過將本研究兩種工況下的單向流固耦合計算結果對比顯示，單向耦合作用越強，計算偏差越大;
(2)筆者對同一流場和結構場(網格劃分、初始條件、邊界條件均相同)構成的流固問題分別做單向、雙向耦合方法做計算時，無論是流體域還是結構域的計算值，相同節點的單向耦合計算值均小于理論上更為精確的雙向耦合計算值。
上述結論對水輪機流道設計、轉輪及葉片設計、轉輪應力特性計算均具有參考意義。
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