水輪機的雛形——水車，早在公元前100年（漢武帝時期）就出現(xiàn)在了中國，千百年來，人們使用水車進(jìn)行汲水灌溉和驅(qū)動糧食加工機械（如磨坊），直到現(xiàn)在，在國內(nèi)一些地區(qū)，仍可看到水車的身影，但更多是起到觀賞作用，讓大家認(rèn)識古人在利用水利資源方面的智慧。

水斗式水輪機

軸流式水輪機

其中，水斗式水輪機的主要特點是：水流以射流的方式沿轉(zhuǎn)動水斗的切線方向沖擊葉片，由于該種水輪機是利用水流的動能做功，因此一般應(yīng)用在小水流、大水頭的水利條件下。本文選取此類型水輪機進(jìn)行仿真計算。

水輪機的CFD計算，屬于典型的氣液兩相流問題，通常需要應(yīng)用的計算模型有湍流模型、多相流模型、空化模型、運動模型等。在多相流模型模型中，為了刻畫水流沖擊葉片時的兩相界面，通常使用VOF方法和LEVEL SET方法實現(xiàn)界面捕捉，關(guān)于這兩種方法的特點，可查詢公眾號往期文章。此外，水輪機在水流作用下的運動屬于被動運動，同時涉及六自由度問題。

模 型 設(shè) 置

采用實云流體仿真軟件對水輪機進(jìn)行模擬分析，如圖所示為計算模型的幾何尺寸，其中，水流從上方沿管道進(jìn)行射流，在初始速度和重力的作用下沖擊水輪機葉片，驅(qū)動水輪機轉(zhuǎn)動，除管道設(shè)置為壁面、入口為速度入口外，其余邊界皆為壓力出口。

計 算 設(shè) 置

采用實云流體仿真軟件對水輪機進(jìn)行仿真計算，得到相分布如下，其中紅色部分為液相，藍(lán)色部分為氣相，水輪機在接觸到水后開始轉(zhuǎn)動，開始轉(zhuǎn)動速度較慢，隨后轉(zhuǎn)速逐漸加快并基本保持穩(wěn)定。

相分布圖（實際速度）

相分布圖（放慢視角）

速度分布結(jié)果如下所示：

速度分布圖（放慢視角）