水輪機仿真的案例
水輪機數值模擬：兩相流+被動運動
水輪機是一種廣泛應用在水利發電領域的流體機械，是水電站內的主要發電設備，其主要功能是將水流的動能轉化為機械能，再帶動發電設備將機械能轉化為電能。相較于火電發電設備而言，水輪機具有顯著的環保特性，可提供清潔可再生的清潔能源。
水輪機的雛形——水車，早在公元前100年（漢武帝時期）就出現在了中國，千百年來，人們使用水車進行汲水灌溉和驅動糧食加工機械（如磨坊），直到現在，在國內一些地區，仍可看到水車的身影，但更多是起到觀賞作用，讓大家認識古人在利用水利資源方面的智慧。
現代發電用水輪機可以分為兩類，沖擊式水輪機和反擊式水輪機，沖擊式水輪機主要由水流的動能做功，做功過程中壓力基本保持不變；反擊式水輪機則由水流的動能和壓力能共同做功。沖擊式和反擊式水輪機由根據結構特征的不同，有如下分類：
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方法實現界面捕捉，關于這兩種方法的特點，可查詢公眾號往期文章。
展開 基于Flowmaster2的水輪發電機組動態仿真建模方法
為了方便快捷地仿真水電站水力動態特性,提出了一種基于Flowmaster2軟件的仿真新方法。按Flow2master2軟件要求推導出了建立水電仿真系統過程中最關鍵部件水輪發電機組的數學模型,詳細介紹建立其仿真模型的步驟和編程方法。通過對一混流式水輪機組進行了建模,表明文中的方法能夠方便快捷地實現水電站水力系統仿真建模,為大型水利水電工程數字仿真奠定了必要的基礎
基于Flowmaster2的水輪發電機組動態仿真建模方法.pdf
展開 【技術】使用TCFD進行弗朗西斯水輪機CFD仿真驗證
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。
展開 使用TCFD進行弗朗西斯水輪機CFD仿真驗證
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。
設計仿真 | Simufact Forming仿真技術破解水輪機軸鍛造難題
PART01
水輪機軸鍛造工藝的挑戰與機遇
水輪機軸作為水力發電設備的核心部件，不僅是能量轉化的物理載體，更是水電系統安全與經濟性的基石。其設計、制造與維護水平直接決定著機組的發電效率、使用壽命及抗風險能力。在鍛造工藝方面，水輪機軸面臨諸多技術挑戰，尤其是大型鍛件（直徑可達1.5米，長度超過10米）易出現成分偏析和晶粒粗大等問題。由于結構尺寸龐大，端部鍛造流動缺陷可能導致材料去除量增加，影響材料利用率，同時鍛后熱處理的淬透性控制也至關重要。傳統的試錯法制定工藝不僅研發周期長，試制成本也較高，因此需要在材料性能、成型精度、缺陷控制及后續處理等環節進行綜合優化。
PART02
Simufact Forming：鍛造工藝的“數字實驗室”
海克斯康Simufact Forming鍛造工藝仿真包括鐓粗、模鍛、拉伸、拔長、自由鍛、擠壓、輥鍛、線割、熱處理等工藝，能夠幫助用戶通過仿真的方式實現鍛造成形工藝虛擬試錯，通過對成形過程中材料流動、溫度、應力、應變、折疊缺陷、設備噸位、微觀晶粒等分析，幫助優化鍛造工藝。
PART03
水輪機軸優化材料利用率的挑戰
在水輪機軸的制造過程中，提高材料利用率對控制成本至關重要。材料損耗主要來自底部廢料、過渡區域切除、端部鼓包修整以及其他工藝性損耗。
該團隊熱衷于優化大型直徑水輪機軸鑄錠的重量，對材料利用效率提出了極高要求，這需要在整個鍛造工藝中采取系統性優化措施。其中，解決端部膨脹導致的材料損失尤為關鍵——膨脹不僅會增加鍛件重量，還會影響最終成型精度。
傳統工藝通常在開槽后對底部廢料進行熱切割，但將其整合到最終產品中存在技術難點。若將底部廢料保留作為軸體的一部分，雖可提高材料利用率，卻會加劇鍛造過程的復雜性：金屬流動的不可預測性可能直接影響鍛件質量。
展開 余能回收水輪機葉片參數化設計與性能研究
圖1 參數化設計流程
表1 參數化設計計算表
為降低微型余能回收水輪機的生產難度和成本，對過流部件適當地進行了優化，余能回收水輪機全流道仿真模型僅包括蝸殼、活動導葉、轉輪和尾水管，如圖2所示。
圖2 余能回收水輪機全流道模型
某輸水管網末端壓力較高，經測量可利用壓頭約31m，平均流量為720/h，采用余能回收水輪機進行發電回收富裕的能量。基于一元理論得到軸面流線并分為若干段，然后按照參數化設計方法對每個微元段進行計算，最終得到葉片骨線坐標。按等厚度規律對骨線加厚并對翼型進出口邊倒圓得到葉片翼型如圖3，設計得到的葉片骨線包角曲線如圖4。
圖3 參數化設計流程
圖4 參數化設計流程
水輪機轉輪出口速度矩分布對性能有影響，為達到降低出口平均速度矩的目的，擬增加葉片出口邊靠近上冠側骨線包角。修改前、后葉片骨線參數曲線變化如圖5，不同流面層上葉片骨線的包角是均勻變化的，改后葉片骨線仍然保持光滑，見圖6。對比改變葉片參數前后出口速度矩分布曲線如圖7，改后出口邊平均速度矩從0.091㎡/s減小至-0.005㎡/s。
展開 設計仿真 | Simufact Forming仿真技術破解水輪機軸鍛造難題
PART01
水輪機軸鍛造工藝的挑戰與機遇
水輪機軸作為水力發電設備的核心部件，不僅是能量轉化的物理載體，更是水電系統安全與經濟性的基石。其設計、制造與維護水平直接決定著機組的發電效率、使用壽命及抗風險能力。在鍛造工藝方面，水輪機軸面臨諸多技術挑戰，尤其是大型鍛件（直徑可達1.5米，長度超過10米）易出現成分偏析和晶粒粗大等問題。由于結構尺寸龐大，端部鍛造流動缺陷可能導致材料去除量增加，影響材料利用率，同時鍛后熱處理的淬透性控制也至關重要。傳統的試錯法制定工藝不僅研發周期長，試制成本也較高，因此需要在材料性能、成型精度、缺陷控制及后續處理等環節進行綜合優化。
PART02
Simufact Forming：
鍛造工藝的“數字實驗室”
海克斯康Simufact Forming鍛造工藝仿真包括鐓粗、模鍛、拉伸、拔長、自由鍛、擠壓、輥鍛、線割、熱處理等工藝，能夠幫助用戶通過仿真的方式實現鍛造成形工藝虛擬試錯，通過對成形過程中材料流動、溫度、應力、應變、折疊缺陷、設備噸位、微觀晶粒等分析，幫助優化鍛造工藝。
PART03
水輪機軸優化材料利用率的挑戰
在水輪機軸的制造過程中，提高材料利用率對控制成本至關重要。材料損耗主要來自底部廢料、過渡區域切除、端部鼓包修整以及其他工藝性損耗。
該團隊熱衷于優化大型直徑水輪機軸鑄錠的重量，對材料利用效率提出了極高要求，這需要在整個鍛造工藝中采取系統性優化措施。其中，解決端部膨脹導致的材料損失尤為關鍵——膨脹不僅會增加鍛件重量，還會影響最終成型精度。
傳統工藝通常在開槽后對底部廢料進行熱切割，但將其整合到最終產品中存在技術難點。
展開 CFD仿真技術在水輪機產品設計中的應用簡介
CFD技術在水輪機領域廣泛應用使其地位變得越來越重要。其中主要原因是：在模型轉輪制造之前就可以采用CFD對水力設計進行優化，這樣可以大大減少模型試驗的時間和費用。其次，采用CFD可以對最終設計的轉輪葉片型線進行優化，這在傳統的模型試驗方法中是幾乎不可能的。
下文是CFD仿真技術在解決水輪機產品研發過程中部分常見工程問題的簡要介紹：
1、水輪機的水力設計
蝸殼的水力設計
固定導葉、活動導葉的水力設計
轉輪的水力設計
尾水管的水力設計
水輪機的效率是考察其性能的最重要的指標之一。借助ANSYS強大的數值分析工具，工程師可以在模型實驗之前對水力設計的質量進行綜合且細致的評判。
2、水輪機的壓力脈動
尾水管渦帶的仿真
葉道渦、卡門渦仿真
轉輪和導葉的動靜干涉
非設計工況的壓力脈動
過渡過程的壓力脈動
ANSYS軟件可以分析水輪機運行中的非定常水力激勵力。通過比較轉輪內與轉輪外流道的水壓力脈動特性，分析動靜干涉、葉道渦、卡門渦等引起的壓力脈動頻率與幅值特性，分析脈動傳遞與衰減等影響。總結發現尾水管內渦帶引起的壓力脈動與受其影響的轉輪內的壓力脈動的聯系，找出了兩者之間的頻率計算公式，及不同運行工況不同渦帶特性下的計算公式的修正方法。
展開 多物理場仿真解決混流式水輪機中的振動問題
水輪機中強大的振動和壓力脈動可能給機械的性能、壽命和安全造成嚴重的不利影響。它會導致噪聲、裂紋乃至機械故障。
全球領先的水電設備、技術和服務供應商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強烈振動可能導致混流式水輪機導流葉片出現疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環繞在旋轉轉輪周圍。靜態的導流葉片用于調節并將水流導向轉輪的外沿。
在轉輪流道內部，水壓的勢能轉化為扭矩，促使轉輪和連著的軸和發電機旋轉。水從下方垂直離開轉輪，并進入尾水管，剩余的動能轉化為額外的壓力水頭。
使用結構仿真，Voith 的工程團隊排除導流葉片的自激勵和諧振是導致振動的原因。利用計算流體動力學（CFD）技術，他們判斷出轉輪葉片（而不是導流葉片）上存在渦旋脫落，其是導致振動的原因。這部機器由24 個導流葉片和13 個轉輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動測量顯示所有的導流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內的相同頻率上振動，但無法在工作過程中對轉輪葉片的振動開展測量。
導流葉片振動的物理測量。圖片由Voith提供。
模態分析說明導流葉片自然頻率遠離于測得的振動頻率。圖片由Voith提供。
簡化水域中的轉輪聲學有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉輪上渦旋脫落如何給導流葉片造成不利影響，該團隊利用水域中轉輪的有限元模型進行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉輪和流道之間的動力學行為。結果證明是轉輪葉片后緣的激勵導致了振動。仿真結果與測量得到的振動頻率吻合，大約在300Hz。通過修改原型轉輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動明顯得到減輕。
展開 【結構仿真教程】5分鐘學會水輪機活動導葉強度分析
一、案例背景
水輪機是水電站發電用的設備，活動導葉是水輪機的一個部件，可以預先調節水的流量和角度。因此活動導葉會承受較大水壓，發生微小變形，設計時需要對其進行靜強度分析。
本案例需要的輸入文件和參數信息如下表：
圖1 幾何模型
二、導入幾何
a. 啟動AIFEM 2024R1；
b. 在窗口左側點擊+新建方案，自定義文件的保存路徑，并填寫文件名“水輪機活動導葉”，點擊保存；
圖2 新建方案
c. 在“導入幾何”彈窗中選擇安裝目錄案例集文件夾下對應的幾何文件Vane.step，導入到新模型，模型名稱Vane，點擊導入；模型上下是軸，中間是葉片。工作中葉片兩面都將受到水流的沖擊力。
圖3 幾何導入
三、劃分網格
a. 順著左側功能樹從上到下操作，就能完成整個設置。功能樹前有提示圖標，紅色代表必須要設置，綠色空心代表可選擇設置，不設置也能求解，綠色對鉤代表已設置完成，且設置正確；
圖4 設置界面
b. 點擊網格處的加號，選四面體網格，對象選擇整個模型。單元階次設為二階，全局網格尺寸設為20mm，其余保持默認，點擊生成，體網格就生成好了。
圖5 網格劃分
四、材料選擇
a. 葉片材料是鋼，點擊材料庫圖標，選擇鋼，確定。
圖6 材料選擇
五、賦予屬性
a. 點擊加號，固體屬性，對象選擇整個模型，下面材料已經默認選擇了我們剛從材料庫中指定的鋼，確定。
圖7 固體屬性
六、分析設定
a. 點擊加號新增一個分析，我們做的是靜力學結構分析，子分析步選靜力，點擊繼續；
圖8 新增分析
b.
展開 多物理場仿真解決混流式水輪機中的振動問題
水輪機中強大的振動和壓力脈動可能給機械的性能、壽命和安全造成嚴重的不利影響。它會導致噪聲、裂紋乃至機械故障。
全球領先的水電設備、技術和服務供應商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強烈振動可能導致混流式水輪機導流葉片出現疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環繞在旋轉轉輪周圍。靜態的導流葉片用于調節并將水流導向轉輪的外沿。
在轉輪流道內部，水壓的勢能轉化為扭矩，促使轉輪和連著的軸和發電機旋轉。水從下方垂直離開轉輪，并進入尾水管，剩余的動能轉化為額外的壓力水頭。
使用結構仿真，Voith 的工程團隊排除導流葉片的自激勵和諧振是導致振動的原因。利用計算流體動力學（CFD）技術，他們判斷出轉輪葉片（而不是導流葉片）上存在渦旋脫落，其是導致振動的原因。這部機器由24 個導流葉片和13 個轉輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動測量顯示所有的導流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內的相同頻率上振動，但無法在工作過程中對轉輪葉片的振動開展測量。
導流葉片振動的物理測量。圖片由Voith提供。
模態分析說明導流葉片自然頻率遠離于測得的振動頻率。圖片由Voith提供。
簡化水域中的轉輪聲學有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉輪上渦旋脫落如何給導流葉片造成不利影響，該團隊利用水域中轉輪的有限元模型進行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉輪和流道之間的動力學行為。結果證明是轉輪葉片后緣的激勵導致了振動。仿真結果與測量得到的振動頻率吻合，大約在300Hz。通過修改原型轉輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動明顯得到減輕。
展開 
旋轉機械CFD仿真解決方案合集，涉及發動機、風機、水輪機（內含6個免費干貨視頻）
2023年10月25日 Fidelity風機高質量網格仿真一體化解決方案——Cadence CFD 極速前處理
↑點擊圖片觀看全部內容
風機的氣動性能仿真是一個復雜問題，涉及到不同時間和空間尺度，要想得到高保真度的風機性能預報，必須有高質量的網格提供保障。如何采用更專業的CFD工具，進行快速、高質量的風機網格制作，以及快速、高精度地預測其氣動特性，答案就在本期的Fidelity Pointwise風機高質量網格制作和仿真一體化解決方案。本次直播將從高質量邊界層網格、周期域、局部加密，尤其是尾跡捕捉等方面介紹、展示Pointwise在風機上的網格生成特色功能，Fidelity的快速風場求解方案、優化技術以及海上風電專用技術。
2023年11月22日 Cadence Fidelity 水泵水輪機CFD模擬解決方案和應用
↑點擊圖片觀看全部內容
水泵和水輪機的CFD模擬會面臨很多問題，如幾何復雜性帶來的網格質量問題，動靜區域的處理，非定常渦流的高精度捕捉，非牛頓流體的處理，多相流問題以及氣蝕等。本期直播以Cadence Fidelity為工具，圍繞“全自動化結構網格劃分”，“計算魯棒性”，“氣蝕”以及“性能優化”等為主題展開討論水泵水輪機CFD模擬解決方案和應用。
2024年8月13日（下周二）19:30
直播主題： 基于Cadence高保真CFD方案的先進透平機械設計
講師介紹： 吳昌 Cadence CFD 應用工程師
碩士攻讀流體機械專業，博士攻讀動力機械及工程專業。一直致力于CFD的應用與二次開發等工作，具有豐富的工程項目經驗。多次主導及參與葉輪機械氣動，傳熱與噪聲優化項目。
直播內容：
透平機械在當今的能源轉型和脫碳戰略中發揮著關鍵作用。
展開 軸流式水輪機
軸流式水輪機CFX分析
AxialIni_001.res
不要讓渦流繩束縛您的水輪機
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），運行快速且穩健的仿真，并分析穩態和非穩態 CFD 結果。Omnis 中的快速工作流程通過混流式水輪機的穩態和非穩態仿真得到證明，允許用戶設計水輪機，減少由于渦繩引起的設計不穩定性。
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文章來源：cadence博客
新換水輪機轉輪實例
割鍵槽使用線切割機進行加工。
最后，我們需要將轉輪加熱后裝回主軸上。需要確保轉輪的安裝方面正確。
經過冷卻之后，最后只需要裝回兩個圓形螺母即可。
文章來源：水輪發電機維修寶
