Cadence 的產品工程經理 Wout Poncelet 和 Numlberica 的 Hydro CFD 顧問 Remi Lestriez 討論了水輪機內部的流動特性，并展示了可靠的 CFD 模擬，以在非設計條件下對渦流繩進行建模和分析。標題為使用 Omnis CFD 平臺模擬水輪機的視頻演示 可在CadenceTECHTALK 上獲得。 

介紹 

在水電領域，水輪機主要用于將落水的能量轉化為旋轉機械能，然后再轉化為電能。混流式水輪機或反應式水輪機屬于出現(xiàn)在高達 800 MW 功率范圍內的水輪機類別。這些渦輪機的特點是徑向流入、入口葉片、轉輪和通過尾水管的軸向流出。它們可以在很寬的時間范圍內快速響應任何負載變化。  

                                                
 

圖 1. 引導水流進入水輪機的入口葉片（左側）、GAMM 渦輪機的幾何結構（中間）以及渦輪機的部件，即導流管、葉片和轉輪（右側）。 

在其最佳效率點的大約 50% 到 70% 的負載下，混流式水輪機會產生空化渦繩，這會導致壓力波動。這種部分負載浪涌也稱為Rheinganz 頻率。此處產生的頻率約為渦輪轉速的 1/3。運行中的這種不穩(wěn)定行為不僅在部分負載下觀察到，而且在標稱滿載和過載時也觀察到。在本次 Cadence TECHTalk 中，演講者討論了渦流繩對水輪機設計帶來的不同挑戰(zhàn)，以及如何在非設計條件下準確分析渦流繩。

渦流繩帶來的挑戰(zhàn)  

渦繩是混流式水輪機尾水管錐體中高雷諾數(shù)時發(fā)生的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。在此類渦輪機的尾水管中觀察到兩種類型的渦流： 

• 滿載脈動渦流繩

• 部分載荷下的螺旋渦流繩。

在非設計條件下運行的水輪機尾水管內的流動通常具有復雜的渦流特征，這會導致氣蝕現(xiàn)象。渦流繩的頻率通常在轉輪轉速的 30% 到 50% 范圍內。  
 

 

圖 2. 渦繩出現(xiàn)在水輪機的尾水管中。 

如圖 2所示，渦流繩會導致尾水管中出現(xiàn)壓力脈動，從而導致結構振動、功率波動和脈動壓力恢復，這是水電行業(yè)的一個主要問題，因為它們會導致系統(tǒng)性能降低或限制渦輪機的工作范圍。因此，準確模擬渦繩并分析相應的壓力波動至關重要。

解決方案 

使用 CFD 模擬分析設計和非設計條件下的渦輪機性能變得非常容易。第一步，應在穩(wěn)態(tài)條件下模擬渦輪機設計以研究效率點。然后，在非設計條件下對其進行模擬，以可視化流動中的渦流。尾水管中的渦流以低壓區(qū)域為特征，可以通過速度流線（圖 3）或靜壓等值面來觀察。根據用戶輸入的準確性和湍流模型的選擇，可以將渦繩建模為接近文獻值的頻率。為了改進渦繩建模的結果，特別是捕捉強渦流，雷諾應力方程模型 (RSM) 被推薦。

 
圖 3. 速度流線顯示水輪機內的渦繩。  

另一種可視化流動中渦流的方法是使用 Q 準則（它定義渦量大小大于應變率的渦流）。對于相同的幾何形狀，可以應用多個設計條件，例如，使用相同的網格生成和模擬設置的葉片的多個開口，以節(jié)省大量時間。 

Omnis 平臺的用戶利益  

Cadence Omnis 是一個端到端平臺，可在一個環(huán)境中對渦輪機械應用進行網格劃分、仿真和分析。Omnis 為渦輪機械應用提供簡化的工作流程，包括行業(yè)最佳實踐?？梢栽谕粋€ Omnis 項目中生成和組合單個幾何體的結構化和非結構化網格。如圖 4所示，對于水輪機，尾水管的非結構化網格在 Omnis Hexpress 上執(zhí)行，而葉輪和導葉的結構化網格在 Omnis Auto Grid 上執(zhí)行。 
                

                                                        

圖 4. 使用 Omnis Auto Grid 的轉輪葉片、導流葉片和固定葉片的結構化網格（左側）和使用 Omnis Hexpress 的尾水管的非結構化網格（右側）。  

在處理不穩(wěn)定或偏離設計的模擬時，需要設置每次旋轉的時間步長。為了加速模擬，可以使用 Omnis OpenLabs 更改整個模擬的時間步長。Openlabs 中的 Omnis Open-Pressure-Based Solver (PBS) 是一種易于使用的多物理場求解器，可提供快速準確的結果；并完全集成到 Omnis 平臺中。Omnis 還提供了一個用于后處理的自定義界面，為同一項目啟用不同的視圖。如圖 5所示，用戶可以使用單一界面觀察葉片到葉片切口之間的靜壓、速度流線以及尾水管內的 3-D 流場圖像。

                                     
 
圖 5. 單個界面上仿真的不同視圖（左側）以及功率和效率方面的性能是使用山圖（右側）計算和可視化的。 

結論 

Cadence Omnis 為渦輪機械應用提供了端到端的工作流程，使工程師能夠生成高質量的網格（結構化和非結構化），運行快速且穩(wěn)健的仿真，并分析穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài) CFD 結果。Omnis 中的快速工作流程通過混流式水輪機的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)仿真得到證明，允許用戶設計水輪機，減少由于渦繩引起的設計不穩(wěn)定性。  

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文章來源：cadence博客