数值调查在河岸涡轮内部流动

文摘

本文是指内部流动的数值分析液压错流涡轮式河岸。3 d-cfd稳态流使用ANSYS大型代码CFX仿真已经完成。仿真包括喷嘴、流道、轴和外壳。涡轮机都有一个特定的速度63(公制单位),外部流道直径294毫米。模拟进行了使用空气自由表面模型和k -ε湍流模型。本研究的目标是分析领域内的错流速度和压力流道和描述其性能不同的跑步速度。绝对流速的角度得到了运动员入口处的模拟,没有跑步者。流循环的跑步者interblade段落内部错流带来相当大的水力损失和冲击的涡轮机的效率显著降低。CFD模拟结果与实验数据相比,符合全球性能参数。

1。介绍

小水电站(Mw)是解决小型社区的电力需求。错流涡轮机可能获得认可,他们可以用在这些发电厂因其结构简单、低成本的初始投资和适度的效率(~ 84%)。

这些涡轮机在大型发电厂的利用是有限的由于其低效率比其他涡轮机使用商业()。为了使他们更具竞争力,当务之急是提高他们的效率。这只能通过研究涡轮操作和确定参数和现象,影响其性能。如今,数字工具被认为是这一过程的行业标准。

提高CFD工具允许建模和获得流场的数值精度比先前获得的涡轮机。涡轮机械设计师经常使用数值方法预测性能的液压反应泵(1和涡轮机2]。然而,数值方法预测操作涡轮性能与自由表面流条件慢慢出现由于复杂这一物理现象的本质。

一维(1 d)和quasi-three-dimensional (Q-3D)涡轮机械设计和分析方法可以被认为是适合和强大的足以让大多数应用程序。研究人员如Mockmore和Merryfield [3)用一维理论分析方法和实验来提高错流涡轮的性能。然而,对于设计一个高性能的河岸涡轮机,它是必要的,以确定准确的静态通道内部流动和错流内的跑步者(4]。在文献中,CFD模拟结果对喷嘴流量与实验结果一致。佩雷拉和博尔赫斯5]介绍了2 d-cfd喷嘴内的水流的调查。数值结果与实验数据一致,当运动员并不是礼物。这种方法也被用于Marchegiani和Montiveros [6),研究了涡轮喷嘴几何的影响。在另一种方法Arzola et al。7),三维自由表面流模拟(即。,water-air) inside a nozzle were performed. With this approach, certain differences were found between water and water-air CFD results with regard to the flow velocity angles towards the 1st stage of the runner.

另一种方法开发了查韦斯和维拉(8),认为2 d域喷嘴的水流模拟,分别跑第一阶段和第二阶段。全球性能参数提出了不同的操作条件。Fukutomi et al。9,10)研究通过二维数值计算流道内部的不稳定水流,关注流动沿叶片流道入口和不稳定力量。

另一方面,崔et al。11]执行整个2 d-cfd稳态错流涡轮模拟,考虑水和空气流动的条件。使用这种方法,作者研究了喷嘴形状的影响,运动员叶片角度,对涡轮性能和流道叶片数量。此外,空气的重要作用层对数值计算验证。

本研究的目的是执行一个3 d-cfd稳态流模拟液压错流涡轮式河岸(包括喷嘴、流道、轴和外壳)为了分析和理解中的多相流的流体动力学行为。研究重点是实现一个更好的利用小型水力资源未来的错流涡轮设计。这项研究的具体目标是:(我)确定喷嘴罩装配的涡轮内部的流场为了获得流速的角度α可以发现在运动员入口(第一阶段),(2)复制一个完整的模拟涡轮和描述它的性能和比较计算结果与以前的实验数据,(3)分析错流的速度和压力字段在跑步,(iv)结论的影响包括数值计算的跑步者。

2。错流涡轮

一个广泛的文献的回顾发展的错流涡轮的作品中可以找到Khosrowpanah et al。12],Fiuzat和Akerkar [13,14]和Venkappayya Nadim [15]。作品包括细节关于刀片的数量的影响,外径的流道和入学弧上的喷嘴涡轮效率。

Fiuzat和Akerkar13)领导的一项研究,提高错流涡轮效率通过使用导管内的跑步者收集和指导流穿过室内跑步的第二阶段。在他们的研究中,这些作者认为涡轮机的效率低是归因于某一部分穿过流道的流叶片迷路在第二阶段使其没有传输能量;这个流在第一阶段只发电。方案的流分布如图1。

此外,Fiuzat和Akerkar [14)进行了另一项研究的意图识别的贡献的每一个错流涡轮阶段功率输出的一代。作者总结说,在这项研究中,第二阶段发挥了重要作用,总错流涡轮的效率,也可以增加如果研究由Nakase et al。16被认为是。他们建立了河岸涡轮的流动分为两种类型的流,可以观察到在图1。流区”“由叶片偏转之后在第一阶段和第二阶段所偏转,从而将能量转移到每个阶段的人;这个流计价“错流”。的流动区“B”拖在叶片和计价“non-cross-flow”。增加的水量,流经区”“增加涡轮的效率。这不会改善效率的第一阶段,但它会增加错流对第二阶段。

牧羊人(17)评论错流发电机75%可用的能源传输更高的效率在第一阶段,当水流对跑步者的内部叶片,剩下的25%转移和较小的效率在第二阶段,当水在相反的方向流动。

第一阶段的水力效率更大,因为液体的入射角可以用一个适当的计算和控制喷嘴的设计。在第二阶段效率下降由于流道内的水力损失发生。流角度在进口的第二阶段是无法控制的。图2显示为不同的流线,速度三角形时流的第一阶段的叶片。可以观察到,绝对速度有不同的方向为每个叶片和流道内的流线倾向于“碰撞”。

2.1。计算有效的头和效率

有效涡轮头是由欧拉方程的应用,这表示能源获得的流体流经流道是角时刻变化的函数。在错流涡轮情况下,欧拉方程可以表示如下:

欧拉方程考虑了速度三角形变化从运动员入口到出口的第一阶段跑然后从进口到出口的第二阶段。相关的速度三角形内的跑步者在图如图3。根据图,设计条件,和。此外,一个好的设计要求应该是15至20°(3]。

全球涡轮机的效率是由(2)。此外,在这项研究中是很重要的水力效率,认为损失液压效果。液压效率可以表示为

3所示。测试用例

液压错流涡轮与一个特定的速度63(公制单位)是用作测试对象。这是在1980年的涡轮机是测试设备的一部分机械能转换实验室的“大学西蒙玻利瓦尔”。这个设施是为了描述涡轮的性能(18]。通过测试获得全球涡轮的性能参数不同的跑步速度,在每一个流量测试。所有这些数据的处理,建立了涡轮的山图。涡轮的设计流程参数是一头35米,0.135米的流量³/ s和800 rpm的速度。其他相关参数表1。

4所示。数值方法

由于巨大的计算成本和时间研究这个复杂的流经涡轮需要,所有的模拟进行了设计条件不同的跑步速度。

三维粘性稳定CFD模拟是利用商业软件ANSYS大型v.11 CFX执行。湍流模型,k -ε湍流模型与使用可伸缩的墙功能关闭。这个靠近壁面的治疗可以应用于任意细网格,并允许用户执行一致的网格细化独立于应用程序的雷诺数。可以找到更多的细节在19]。鉴于流动被认为是在这项研究中是一个两相流(空气),液体由一个不同的接口,使用标准齐次自由表面模型。因此,液体都共享相同的速度,压力,和动荡字段。是不可能申请浮力模型,因为软件不允许它有数字域旋转时,比如跑步。可以找到更详细的数值模拟(20.,21]。

粘性通量计算“分辨率”计划,这意味着较低的地区变量梯度,二阶逆风计划使用。的区域梯度急剧变化,一阶逆风计划是用来保持鲁棒性。此外,根均方收敛标准平均剩余1 x 10的目标⁻⁴在质量、动量和湍流(k -ε)方程。边界条件如下:(我)入口:速度正常,和,(2)出口:静态压力,类型,和,(3)周期:两个对称面叶片通道的中间位置,(iv)墙默认:一般边界条件(无滑)。

关于喷嘴/跑步/套管之间的数值处理接口,“冻结转子”设置类型。这意味着参照系中改变,但组件在接口之间的相对取向是固定的。这个模型产生一个“稳态”解决多个参考系问题,一些帐户的两帧之间的交互。这种分析非常有用当流的周向变化很大。这种模式的缺点是瞬态效应在帧改变界面不建模和流场结果与喷嘴/跑步/套管域之间的一个独特的位置。更多细节在22]。

为了达成的影响包括跑步绝对流速计算的角度α来跑的入口(第一阶段),两个数值流研究领域:(我)域,我:符合由喷嘴和套管的涡轮机(2)域二世由nozzle-runner-casing:符合。

跑步,结构化网格创建使用Turbogrid v.1.06 ANSYS软件。的流体域,非结构化四面体网格与膨胀层墙壁了。在任何CFD模拟,进行敏感性分析来保证结果不依赖于网格的大小。图4显示了如何计算压降达到渐近值的元素数量的增加。根据这个图,突出显示的网格被认为是足够可靠,确保网格独立性。元素的总数域我1220070和域内二世是1413985。域I和II的3 d视图,包括所有的网格,如图所示5。表2给出了详细的每个域的元素数量。最近的节点固体墙位于0.2至1毫米的距离,给定的波形200 y +值。

两个域情况下(I和II)旋转角度θ采用为了评估流角度和速度感兴趣的研究。的θ角是衡量从一开始会以逆时针方向绕着螃蟹的喷嘴。的细节θ角度测量和圆柱坐标系统的起源中心线的跑步者在图所示6。径向单位矢量的图被认为是积极的关于径向速度进一步解决在这个研究。

这个数值验证的调查,进行了CFD计算全球性能参数进行比较。参数被认为是全球性和液压。根据(实验效率计算2)和数值根据效率(3),这意味着体积和机械效率不是数值估计。

5。结果与讨论

5.1。喷嘴罩流场分析(域)

在第一部分的结果部分的两个主要问题是解决设计测试条件:首先,多相流场的分析和讨论关于空气体积分数和水速度变化中跨位置。其次,调查绝对流速的角度变化,会跑进(第一阶段)。组装的研究进行了喷嘴罩,但侧重于喷嘴出口。

在数据7和8,水体积分数等值线和中跨水速度矢量,分别说明流设计条件。自由表面流之间定义良好的接口可以观察到水和空气的流动。水流速度场达到最大速度在喷嘴出口,跑步者的第一阶段入口。从压力的能量转移速度是重要的任何行动涡轮机。然而,根据(3),保持一个特定的运动员入口处气流角是同等重要的。

在图9,角是绘制旋转角被录取的角度λ喷嘴。水的体积分数变化也显示。可以看出从23°角减少通过增加旋转角度,直到它到达进气角,它逐渐增加直到这个角,急剧下降到7°。数值网格可以解释,至少部分,一些小型的振动中角。然而,根据网格验证图4数值网格选择似乎没有明显影响涡轮性能。观察到的趋势并不是一个显而易见的事实,设计是16°。Arzola et al。7)发现了相似的绝对流速角变化在他们的研究。解释这个流的行为可能是潜在的标准假设流喷嘴的设计。此外,它是观察到的水体积分数大幅上涨1通过增加旋转角度从0到5°。

5.2。错流涡轮流场分析(域(二)

在本节中,错流涡轮的流体动力学行为是解决设计测试条件。第一,1号和2号选手阶段定量研究设计跑步速度。接下来,评估数值和实验计算比较全球性能参数不同的跑步速度。此外,水的体积分数和水流速轮廓是不同的跑步速度解决。特别关注名义速度。接下来,重要的绝对和相对流速的角度研究了1号和2号选手阶段在设计速度。最后,绝对流速的角度发现域I和II进行比较。

跑步者的定义阶段
估计错流涡轮液压通过CFD模拟域二世,重要的是要建立明确的角限制在每个阶段能量转移。考虑径向速度和水体积分数的变化在运动员旋转角”θ“内径,第一和第二阶段可以建立。在本节中,计算径向速度和水体积分数的变化在一个特定的旋转部门在运动员外径D_出解决为了确定第一和第二阶段的跑步者在设计速度。结果绘制在图10获得了错流涡轮在跨中位置。

水体积分数大幅上涨到1的旋转角度,保持这个值,直到达到约θ=70°,体积分数斜坡向下至0.23。突然水体积分数又开始急剧上升,达到1θ≈75°。这个结果代表之间的角部门1日和2日阶段有一个最小水流。最后,水体积分数上升1直到θ= 124°,水体积分数降低突然约0。因此,第一和第二阶段的跑步者可以建立角之间的领域,那里的水体积分数约为1。图10显示了设计的第一和第二阶段运动员的速度。

此外,负径向速度为第一阶段,正径向速度对第二阶段的图中可以看到10。这是第一阶段的输入流和出口流向第二,分别。向下观察,径向速度峰值来源,第一阶段的周期性流动醒来后下游叶片后缘。第二阶段的峰值是由于流的期刊的影响,第一阶段,冲击叶片前缘的第二阶段。这导致相当高的速度扰动。每次醒来后或冲击位置,水径向速度略趋于平缓,直到旋转角度下叶片位置相匹配。此外,一些小型振动径向速度中可以看到。

性能曲线
本节的重点是评估全球性能参数的数值和实验计算比较不同速度的涡轮机。全球效率和数值实验液压是相关的。此外,传输的能量百分比计算在第一和第二阶段的设计速度。

图11显示了实验和数值预测涡轮的效率值不同的速度。实验结果的误差。多项式趋势曲线与最大值对应的最佳效率速度可以看到。的曲线显示了类似的模式和实验和数值的情况下,检测到的最大效率值约900 rpm。

全球实验效率和数值之间的一致性液压相对比较好,因为斜率和震级预测。然而,跑步速度的数值往往给更高的效率值比跑步速度设计,从而表明效率overpredicted。发现的最大相对误差比测量rpm,大约10%。overprediction的一个解释是,至少部分,机械效率的计算没有考虑涡轮数值计算,它通过增加跑步的速度上升22]。

Numerical-experimental差异也可以用一些其他原因来解释。第一个主要原因是数值方法:均匀没有浮力自由表面模型。这个假设不考虑之间的隔离阶段由于重力作用流。其他原因可能关注数值程序,网格细化依赖性,湍流模型,边界条件,数据处理,和涡轮的几何保真度。

此外,传输的能量百分比在1号和2号选手为设计提出了速度表3。一些实验研究人员也发现了类似的百分比(14- - - - - -17]。

定性流场分析
轮廓体积分数和水的表面速度矢量在跨中位置不同的跑步速度(400、600、800、1000和1200 rpm)如图12。关于水的体积分数,一个明确定义的自由表面和水流之间的界面可以看到周围的空气。从速度400 - 1200 rpm差异角领域占领了流道内的水流,以及推进的水流到套管出口,可以观察到。在运动员的套管,该地区被水明显减少,而跑步的速度增加。当然,随着水流区域较小,水流速度增加为了保持相同的流量通过涡轮。特别是,400 rpm的水体积分数轮廓呈现一个定义良好的1号和2号选手阶段。

此外,图12等高线图显示水体积分数在1000 rpm和更高,水开始流墙套管,主要在喷嘴壁。门多萨和Dominicis [18)观察到这种行为在他们的实验测试。他们认为这种行为在第二阶段再循环流动;水是由叶片吸力面和拖对喷嘴壁扔掉。这种行为在1200 rpm更加突出。

在相同的图12,水表面速度矢量图表明,流加速喷嘴出口类似的领域,我的结果。进一步,穿越流第一阶段在不同叶片相对流角度。此外,它可以观察到的相对速度矢量流出口第一阶段不同于那些在进口第二阶段吗。因此,重要的是要提到通过流道设计,假设拍摄。

为所有运动员速度解决,水流与流道轴离开第一阶段冲击时,图中所示为主要水体积分数位于轴周围。对此的解释可能是轴直径的保险设计。这种现象的后果是能量下降冲击区,飞溅,改变流动方向,进入第二阶段的跑步者。600 rpm的跑步速度,轴周围的总压力降是描绘在图13。

此外,相对于水表面速度向量同样重要的是要指出存在的再循环流区interblade流动通道,特别是沿叶片吸力面在第一和第二阶段的叶片。这些流体动力学行为更重要的跑步速度低于在设计条件。400 rpm的跑步速度,再循环流区在第一和第二阶段是描绘在图14。

另一个通过错流涡轮流区重要的是显示在图15,总压强和水流线显示中跨的1200 rpm的涡轮机。叶片内的non-cross-flow拖是迷失在第二阶段和树叶没有传输能量。

根据模拟,非错流肯定是给运动员速度大于在设计条件。

绝对和相对流速的角度
在流道的水力设计,理想的涡轮机操作条件。这个设计的目的是保证更大的液压能量转移。因此,知识的速度三角形或流方向的入口和出口的每一个阶段是至关重要的。这些变量的研究是非常复杂在实验测试中,所以,CFD工具代表了一种有用的手段。

在以下的一组数据,绝对和相对流速跑第一和第二阶段的角度提出了设计速度。流角度对旋转角度绘制θ。旋转角度与总角规范化部门被跑步者的每个阶段。策划的一些可以看到小振荡流角度。数值网格可以计数,至少部分,这些振荡;对涡轮性能的影响被认为是根据网格验证最小。

在图16入口流速的角度绘制的函数吗θ角。的角与增加有降低的趋势θ角,直到达到大约一半的弧的承认。然后,这个角逐渐趋向于上升的阶段。重大扰动α₁角,可以观察到有显著下行高峰。这种行为的根源,正如之前说的,是期刊影响上游的流道流场与转轮叶片的前缘。每次冲击叶片前缘,角趋于平缓略直到第二叶片前缘的位置。重要的是要记住,设计角是16°,即使α₁角度都围绕这个设计条件,这一阶段的液压不利影响在这个流条件。再次解释这个流的行为可能是潜在的标准假设流喷嘴的设计。

在图17相对速度的角度,第一阶段的出口策划反对θ角。的角略有下降趋势增加θ角,直到达到大约70%的弧的承认。此时,角大约是接近设计条件。然后,角迅速下降到0到结束的阶段。解释是进步的干预或干预流的流线在跑步者和增加变得越来越重要θ角的这个阶段,影响气流角(见图12)。以及,重大扰动角,可以观察到有显著下行高峰。虽然这一次,这种行为的根源是第一阶段的周期性流动下游醒来后每个叶片。它还可以提到那些尖锐的峰之间角趋于平缓。

图18描述了相对流速的角度对θ角。值得注意的是,角有一个提升而增加的趋势θ角的第二阶段。在图中,可以看到从0到120°角变化。这代表了一个主要流动变形考虑到设计流程条件假设。原因在于修改流流线离开第一阶段,逐渐相互干扰在跑步者(见图2)。涡轮在第二阶段的表现不佳是由于这个特定的关于设计的角度偏差。

图19显示出口流速的角度为θ角。由于高流动方向的改变评论以上入口的第二阶段,角礼物重要的干扰。的角变化15至140°,大多数的波动在90°的设计条件。此外,角趋于平缓略每次向下流动产生的峰醒来后沿着转轮叶片的后缘。

关于绝对流速的角度计算域I和II入口处的第一阶段,在数字9和16分别比较两种建模方法是描绘在图20.。图中可以观察到,每个数值预测的倾向之间的协议通常是很好除了下行高峰在第二域计算。因此,一个好的平均的方法角可以通过模拟域我越简单,也就是说,没有考虑到运动员。它标志着一个重大的低计算工作。

6。结论

利用CFD技术,可以模拟三维稳态的行为自由表面流(空气)在喷嘴罩装配的涡轮,能够可视化流场和获取流角沿喷嘴出口。发现沿喷嘴出口流角度会进入第一阶段的跑步者略不同23°- 7°沿着旋转角度θ角,通过设计条件。的偏差α₁假设的潜在的流动状态的角度解释当喷嘴设计。水的体积分数也解决。结果表明,进气弧是装满了水从5°的旋转角度。

完整3 d-cfd稳态流动模拟的错流涡轮进行了包括:喷嘴,选手,轴和外壳。模拟进行了使用均匀自由表面模型。全球实验效率和数值比较液压名义流速度不同。整个协议是好的除了速度高于800 rpm,数值预测更高的地方。overprediction的解释可能是,机械效率的计算没有考虑涡轮数值计算,通过增加跑步的速度上升。另一个原因可能在于数值网格,k -湍流模型ε没有浮力和均匀自由表面模型。能量转移的百分比在第一和第二阶段解决了设计速度。结果表明,68.5%的能量转移发生在第一阶段,剩下的31.5%是在第二阶段转移。此外,速度,水体积分数和压力场分析了跨的跑步速度(400、600、800、1000和1200 rpm)。流体动力学现象冲击流道轴,再循环流区interblade流动通道和non-cross-flow是公认的。进一步,可以定量地确定第一和第二阶段的跑步者在额定速度的变化通过考虑径向速度和水体积分数在一个特定的旋转部门的内径。

在设计跑步速度,绝对和相对流速跑第一和第二阶段的角度定量地解决。结果显示对归一化转动角度被跑步者的每个阶段。所有流角度解决,发现下行高峰归因于转轮叶片的位置,在领先或落后于叶片的边缘。这极大地扰乱流角度和直接影响运动员的液压阶段。流的角度观察到的趋势不是一个显而易见的事实,由于流角度应该倾向于理论的角度。目的的角度的变化从一个到另一个不同,但它可能是说,流的角度,更好的设计条件由于水流来第一阶段由喷嘴控制。最严重的偏差设计条件是获得应该接近90°角。原因在于修改流流线离开第一阶段,逐步在运动员互相干扰。

运动员入口处气流角的数值研究显示模拟喷嘴罩装配了一个有吸引力的替代获得它,关于其他数值方法,考虑了运动员的涡轮机。使用简单的流动域喷嘴罩,可以大大简化的数值计算,因此CPU时间。

命名法

符号

B:	跑步者叶片宽度(毫米)
D:	转轮直径(毫米)
d:	跑步者轴直径(毫米)
H:	头[m]
Ht:	有效的涡轮头[m]
n:	涡轮转速(rpm)
n年代:	比转速(rpm×简历1/2/ m5/4]
P:	压力(Pa)
问:	涡轮流量[m3/秒)
r:	转轮叶片曲率半径(毫米)
所以:	喉咙喷嘴的宽度尺寸(毫米)
U:	叶轮旋转速度(米/秒)
V:	绝对流速(米/秒)
Vsx:	表面的速度,(米/秒)
:	液压(%)
:	全球效率(%)
α:	绝对流速角(°)
:	空气体积分数(-)
:	水体积分数(-)
λ:	承认角度跑步者(°)
β:	相对流速角(°)
θ:	旋转角度(°)
:	旋转角度的第一阶段(-)
:	旋转角度的第二阶段[-]。

下标

1:	运动员叶片入口(第一阶段)
2:	转轮叶片出口(第一阶段)
3:	运动员叶片入口(第二阶段)
4:	转轮叶片出口(第二阶段)
ins:	内部
:	外
r:	径向分量
u:	旋转组件。

缩写

计算流体动力学:	计算流体动力学
cep:	最佳效率点。

引用

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