本報告中采用TCFD軟件對弗朗西斯水輪機進行了CFD仿真驗證，該項目與水輪機制造公司Hidroenergia共同完成。項目中對某現有實際水輪機進行了試驗測試，并將測試數據與TCFD的仿真數據進行了比較，TCFD仿真得到的水輪機效率、功率等數據與試驗結果高度吻合。

基準參數：

設計流速：10m/s	葉片數：13
轉速：600 RPM	功率：3000 kW
流動模型：不可壓	參考密度：996 kg/m3
網格數：500萬	動力粘性系數：1.0*10-3 Pa?s
流動介質：水	湍流模型：realizable k-epsilon
流體域：4	湍流強度：5%

弗朗西斯水輪機-FORTUNA二級水電站 

 

弗朗西斯水輪機是一種結合了徑向和軸向流動的內流式反擊式水輪機，是當今最常用的水輪機形式。在本次仿真測試中研究的這款弗朗西斯水輪機被用在巴西的米納斯吉拉斯州的FORTUNA二級水電站上。該水電站擁有三臺弗朗西斯水輪機，下方的圖片展示了機組的安裝過程。

 

 

弗朗西斯水輪機由以下幾個主要部件組成：

蝸殼：水輪機轉輪周圍的螺旋殼體稱為蝸殼。水流進入蝸殼后，經過導葉進入葉輪對葉輪做功，蝸殼的橫截面積沿圓周均勻減小，所以流體在不同位置進入葉片時能夠保持接近恒定的速度。

導流和支撐葉片：導流和支撐葉片的主要功能是將流體的勢能轉換為動能，并將流體以設計角度引導到工作葉片。

工作葉片（葉輪）：工作葉片是水輪機的心臟。它們是水輪機工作的中心，水流沖擊產生的切向力使葉輪旋轉，從而產生扭矩。必須密切注意葉輪入口和出口的葉片角度設計，這些參數對葉輪做功能力有關鍵影響。

尾水管：尾水管是將轉輪出口連接到尾座圈的導管，尾水從渦輪排出。其主要功能是降低排出水的速度，以最大程度減少出口處動能損失。

前處理

TCFD目前支持stl格式模型的導入，我們需要對水輪機模型進行處理。去除模型中微小的、不相關的和有問題的部分，并且封閉所有孔（需要保證表面水密）。模型前處理階段在整個工作流程中非常重要，模型的精度會限制最終的仿真模擬精度。

在這個弗朗西斯水輪機項目中，CAD模型被劃分為四個部分：蝸殼，導流/支撐葉片，葉輪和尾水管。每個部件都是水密的，并包括入口交界面，出口交界面和相應的壁面（蝸殼壁面，葉片，前蓋板，后蓋板，支撐葉片，導流葉片、尾水管壁面等），對于每個單獨的部件都創建了各自的體網格。

網格    

   

計算網格是采用TCFD中的snappyHexMesh模塊自動構建的。對于水輪機的各個部件，設置背景網格的大小，再對各部位進行網格加密。整個水輪機模型，長6237mm，高3364mm，寬3473mm，基礎網格為邊長10mm的立方體。

對壁面進行網格加密，TCFD中可以便捷的更改網格加密級別，以獲得粗糙或細致的網格，能夠更好地處理網格大小，并可以定義邊界層網格。

用于模擬的最終網格數為4937072，其中大部分為六面體網格。（蝸殼：268751，導流和支撐葉片:3256434，葉輪:1253858，尾水管：158029）.

如有需要，也可以在其他網格工具中進行網格劃分，并以MSH、CGNS或OpenFOAM網格格式導入TCFD中進行仿真計算。

網格元素	點	面	交界面	網格平均面數	六面體
	6319570	16075879	15063115	6.307178	3605554
網格元素	棱柱層	四面體	楔形	多面體	網格單元數
	263951	0	6574	1060934	4937072

TCFD設定 

完整的CFD模擬設置在TCFD可視化界面中完成。水輪機包含4個流動域，它們之間通過交界面來連接。交界面有frozen rotor和mixing plane兩種選項可供選擇。

下圖為當前設置下流體在模型中的流動過程，通過該流程圖能夠判斷當前模型連接順序是否正確。

仿真模擬 

仿真計算以穩態模型進行自動計算，共計算10個不同流量的工況點，TCFD中可以在一個算例中直接設定多個轉速及多個流量工況點進行依次計算。TCFD能夠在仿真過程中隨時記錄結果，在仿真過程中會監視任何數量的收斂情況。當一個工況點滿足收斂條件時，仿真會自動移至下一個工況點。當前模型，單工況點仿真大約需要30個核心*小時。

仿真結果#1——流場可視化 

TCFD擁有一個內置的后處理模塊，該模塊可以自動計算客戶所需的物理量，例如效率，扭矩，軸向力，流量，壓力，速度等等。在整個模擬運行過程中會評估所有這些物理量，并且所有重要數據都將匯總到HTML報告中，該報告可在模擬過程中隨時更新。所有模擬數據也都保存在表格.csv文件中，以供客戶進一步評估。此外，可以使用后處理模塊對空間物理場進行可視化后處理。

仿真結果#2——水輪機功率對比 

扭矩是水輪機模擬中一個非常重要的參數，它是流體流動壓力和流體在葉輪表面上的粘性力共同作用的結果。水輪機的功率由以下簡單的公式算得：P=T*。其中，P為功率，T為扭矩，是角速度。下圖顯示了CFD計算得到的功率與試驗測量的功率比較。本例共研究了10個水輪機流量工況，對應于10個導葉開口角度。

仿真結果#3——水輪機效率對比 

水輪機效率是工作葉輪獲得的能量與流質勢能的比值，其表達式為：，其中，為效率，P為功率，g為重力加速度，為密度，h為凈水頭（它的數值由進出口總壓差算得）。由測量方法限制，所有模擬均考慮使用47.91 m的參考水頭。下圖顯示了CFD模擬的水輪機效率與試驗測量獲得的水輪機效率的比較。本例共研究了10個水輪機流量，對應于10個導葉開口角度。

仿真結果#4——子午流面平均 

對水輪機模擬結果的另一個重要評估是子午流面上各物理量的可視化云圖。子午面云圖為用戶提供了一些重要信息，例如總壓是如何在水輪機的流道中耗散的。為實現這樣的功能，在后處理中創建了提取子午面平均值的功能，它將創建一個子午面上的幾何切片（一個平面），并將所有場數據取周向平均值后，投影到該平面上。該子午面取平均的方法忽略了葉片等實際因素。

仿真結果#5——B-B流面云圖 

 

對水輪機模擬結果的另一個重要評估是B-B流面上各物理量的可視化云圖。該流面的可視化云圖為用戶提供了各個參數在展向不同葉高位置的變化情況。TCFD中能夠直接顯示B-B截面的流跡及速度云圖等，客戶可以觀察到流體流動的平穩程度以及流體在葉片前緣的攻角等。

下圖顯示了相對葉高0.99、0.8、0.6和0.4四個截面的流場云圖。

結論 

 

本例成功地使用TCFD對實際的弗朗西斯水輪機進行了多個工況的CFD分析。結果表明，TCFD模擬預測具有很高的精度，弗朗西斯水輪機的功率和效率與實際的測量數據高度吻合，并能夠便捷的展示內部流場情況。

在設計和驗證過程的各個階段，TCFD都是對水輪機進行全面CFD模擬分析的非常有效的工具。