本文以某燈泡貫流式水輪機為研究對象，應用三維造型軟件建立三維水體模型，使用CFD軟件采用分塊網格技術將包括進水流道、導葉、葉片、尾水管的整個子區域分別進行網格劃分，并確定適合的CFD計算方法、收斂標準及水輪機效率。其中，CFD計算方法包括：控制方程、邊界條件、進出口邊界、動靜交界耦合面、SIMPLEC算法、湍流模型。最終，從效率和導水機構、葉片、尾水管等水輪機關鍵部件等CFD計算結果來看，效率符合水輪機外特性曲線，在小開度下易脫流并產生卡門渦街。

某燈泡貫流式水輪機基本參數如下：額定出力為24.67MW，額定流量為399.7m3/s，額定轉速為68.18r/min，飛逸轉速為219r/min，最高水頭為10m，額定水頭為6.8m，最低水頭3.1m，最大水頭時的正向最大軸推力為354t，反向最大軸推力為462t，導水機構有16只導葉，由四個葉片組成。

1.1三維幾何模型

本文以某電站燈泡貫流式水輪機為建模對象，應用三維造型軟件建立三維水體模型，模型主要由流道體、燈泡體、轉輪體、導葉和槳葉組成。

（1）流道體：由壩體、進水流道、轉輪室、尾水流道四部分組成，繪出流道體外部輪廓線和截面線，生成流道體。

（2）燈泡體、轉輪體：繪出燈泡體以及轉輪的外部截面線，并以軸線為旋轉軸，分別回轉生成燈泡體和轉輪體。

（3）導葉：根據導葉葉型數據生成葉型曲線，用各葉型端點創建導葉進出口邊曲線，以葉型曲線和進出口邊曲線為特征曲線生成導葉特征曲面，將特征曲面縫合為導葉實體。

（4）槳葉：以葉片壓力曲面和吸力曲面的曲率走向為基礎，向葉片的輪緣，輪轂方向延伸這兩個曲面，并按初始水力設計尺寸做葉片輪緣和輪轂的球面。用球面去裁剪葉片壓力曲面、吸力曲面，得到葉片上輪緣和輪轂的球面，將各曲面縫合成為葉片實體。

（5）將流道體、燈泡體、轉輪體、導葉、槳葉按照結構設計尺寸裝配到一起，陣列16個導葉、4個槳葉，然后用布爾運算將流道中的燈泡體、轉輪體、導葉、槳葉減去，便生成了完整的全流道流體模型，如圖1。

圖1燈泡貫流式水輪機水體模型

1.2網格的劃分

針對計算區域結構復雜程度不同的特點，采用分塊網格技術將整個子區域（進水流道、導葉、葉片、尾水管）分別進行網格劃分，因為前流道和尾水管結構較規則，所以采用六面體結構化網格，而導葉和葉片是由相對復雜的不規則曲面構成的部件，劃分結構化網格十分困難，所以采用四面體非結構化網格。最終將各網格子單元按照模型的順序嵌套為整體網格，如圖2，共有1000多萬個網格節點。

圖2燈泡貫流式水輪機全流道網格

1.3 CFD計算方法

（1）控制方程：燈泡貫流式水輪機遵循連續方程、動量守恒方程、能量守恒方程、組分質量守恒方程、氣體狀態方程和通用控制方程。

（2）邊界條件：進口邊界為質量流量，出口邊界為給定靜壓。當壁面靜止時，設置成壁面無滑移條件；當壁面平移或者旋轉時，通過給出壁面切應力模擬壁面滑移。在動、靜交界的耦合面設成滑移網格交界面。采用SIMPLEC算法實現壓力和速度的分離求解。

（3）計算湍流模型的選取：鑒于燈泡貫流式水輪機的轉輪、導葉、流道有較多曲面，會帶來大曲率流動。為了準確地模擬這種流動，本文選用RNG k-ε湍流模型。

（4）收斂標準：收斂標準以殘差值為衡量，默認的殘差值為1×10-4。

（5）水輪機效率：

其中Q為轉輪進口的流量；△p為進出口的總壓差；M為轉輪繞旋轉軸的合力矩；ω為轉輪旋轉的角速度。

1.4計算工況的選取

數值計算包括定常計算和非定常計算兩部分，計算工況如下：

①槳葉開度7o，導葉開度29.2o，進口流量89808kg/s

②槳葉開度25o，導葉開度54.8o，進口流量244337kg/s

③槳葉開度31o，導葉開度60.5o，進口流量299379kg/s

④槳葉開度41o，導葉開度70.8o，進口流量418540kg/s

2.1效率

定常工況點計算所得的效率和水頭如表1所示：

表1定常工況點的效率和水頭

2.2導水機構

2.2.1導水機構中間錐形斷面流線

圖3各工況導水機構中間錐形斷面流線

從工況①導水機構中間錐形斷面流線（如圖3）可以明顯的看出，在小開度工況下，水流在導葉進口處有明顯的沖擊進口，而工況①導葉出口流線相對穩定，且在兩導葉之間的錐形斷面上并未發現有沖擊進口所產生的葉道渦。對比工況①、②、③、④的導水機構中間錐形斷面流線可知，工況②、③、④進口并未出現撞擊脫流，說明撞擊脫流在小開度下較易產生，故運行時盡量將負荷調大，避免導葉進口發生脫流現象，影響機組的穩定性。

2.2.2導水機構中間錐形斷面流線

由工況①、②、③、④導葉壓力、吸力面渦核（如圖4）可知，4個工況下導葉壓力面漩渦基本沒有產生漩渦，而在導葉吸力面靠近進口處產生了漩渦，漩渦是從進口沿著導葉表面向導葉出口發展的，漩渦產生的原因即為前述的水流經過導葉發生沖擊，沖擊使得導葉的低壓區（即導葉吸力面）產生流動分離，水流出現脫流，進而產生漩渦。觀察兩導葉中間流道區域渦核，并未發現有漩渦的產生，即在此中間區域并未產生葉道渦。

圖4各工況導水機構中間錐形斷面流線

2.3葉片

2.3.1轉輪中間環形斷面流線

由圖5可知，工況①、②、③、④轉輪中間環形斷面流線走向是沿著被切翼型的，并未發現異常情況，且在兩葉片中間環形斷面沒有出現葉道渦。

圖5各工況轉輪中間環形斷面流線

2.3.2葉片渦核

由工況①、②、③、④轉輪區域渦核（如圖6）可看出，葉片在進、出口存在漩渦，葉片進口漩渦是由流過導葉的水流對葉片有沖擊造成的，葉片出口漩渦是由葉片出口尾流造成的；葉片根部轉輪體區域存在渦環，此渦環是水輪機中間部分的水流在向下游行進的過程中隨著轉輪體的旋轉而旋轉所形成的；工況①轉輪室區域存在較大的渦環，而工況②在葉片輪緣后有沿著輪緣方向呈螺旋狀的旋渦，工況③、④葉片輪緣后也存在少量沿輪緣方向的旋渦，工況①轉輪室的渦環和工況②、③、④葉片輪緣處的漩渦都是由葉片后存在圓周速度，造成了出口環量，導致了漩渦，并且漩渦強度隨著工況①、②、③、④葉片角度的依次增大而減小。

圖6各工況轉輪區域渦核

圖7各工況尾水管靜壓

2.4尾水管

2.4.1尾水管靜壓

由4個工況下（如圖7）的尾水管靜壓可以看出，沿著水流的流向，從尾水管進口到出口，壓力是均勻升高的，且壓力基本對稱，對稱軸為主軸軸線。工況①、②、③壓力云圖顯示在尾水管中間都存在連續的條狀低壓區，由此判斷此即為尾水管空腔渦帶，隨著開度的增大，連續低壓區的最低壓力增大，渦帶漸漸減小。但在工況①位置的壓力云圖與其他開度下的云圖顯然不同，連續的低壓區面積較大，且有一個高壓區域連接尾水管的進口和上下管壁，說明除了渦帶外在尾水管存在其他對機組影響較大的不穩定流，此不穩定流是軸對稱的。工況④中間區域沒有連續的低壓區，則機組在工況④下，較難形成尾水管渦帶。

2.4.2尾水管速度

圖8各工況尾水管速度云圖

對比工況①、②、③、④尾水管速度云圖（如圖8），沿著水流的流向，從尾水管進口到出口，速度是降低的，速度值以主軸軸線為對稱軸上下對稱；工況①尾水管速度云圖與其余三個工況尾水管速度云圖有明顯的不同，它在尾水管中間區域有三個低速區，上下兩個低速區沿著軸線對稱，中間的低速區為橢圓形，夾在兩個高速區的出口中間，由此可以判斷工況①在尾水管進口到中間區域出現一種比較特殊的漩渦；工況②在尾水管出口處有一個三角形區域的低速區，說明此處流動存在異常。

2.4.3尾水管中間斷面流線

對比工況①、②、③、④尾水管中間斷面流線（如圖9），工況①流動不穩定，在泄水錐后引起邊界層分離，尾水管橫向的中間部位產生明顯的卡門渦街，卡門渦的渦旋間距各不相同，沿軸線方向卡門渦是漸擴的，卡門渦在尾水管中部停止，中止位置之后流態趨于平穩，中止區域上下兩側局部有由流動分離引起旋轉方向相反、沿軸線對稱的漩渦，而工況②、③、④尾水管中間斷面流線未發現卡門渦的存在；工況②尾水管水流在出口產生流動分離，分離處恰為速度云圖中顯示的三角形低速區域；工況③流動平穩；工況④尾水管出口下方區域出現流動分離現象，這是由于尾水管出現回流所致。

圖9各工況尾水管中間斷面流線

針對某電站燈泡貫流式水輪機4個不同開度的運行工況，進行水輪機的CFD數值計算，重點對導水機構的流場進行分析研究，可以得出以下結論：（1）效率符合水輪機外特性曲線；（2）導葉撞擊脫流在小開度下較易產生；各開度下，導葉吸力面靠近進口處容易產生漩渦；（3）各開度下，葉片在進、出口存在漩渦，葉片進口漩渦是由流過導葉的水流對葉片有沖擊造成的，葉片出口漩渦是由葉片出口尾流造成的；（4）各開度下，尾水管中間都存在空腔渦帶，隨著開度的增大，連續低壓區的最低壓力增大，渦帶漸漸減小；小開度下，在泄水錐后引起邊界層分離，尾水管會產生卡門渦街。