水輪機(jī)設(shè)計(jì)與仿真的案例
設(shè)計(jì)仿真 | Simufact Forming仿真技術(shù)破解水輪機(jī)軸鍛造難題
PART01
水輪機(jī)軸鍛造工藝的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
水輪機(jī)軸作為水力發(fā)電設(shè)備的核心部件，不僅是能量轉(zhuǎn)化的物理載體，更是水電系統(tǒng)安全與經(jīng)濟(jì)性的基石。其設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)水平直接決定著機(jī)組的發(fā)電效率、使用壽命及抗風(fēng)險(xiǎn)能力。在鍛造工藝方面，水輪機(jī)軸面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是大型鍛件（直徑可達(dá)1.5米，長(zhǎng)度超過(guò)10米）易出現(xiàn)成分偏析和晶粒粗大等問(wèn)題。由于結(jié)構(gòu)尺寸龐大，端部鍛造流動(dòng)缺陷可能導(dǎo)致材料去除量增加，影響材料利用率，同時(shí)鍛后熱處理的淬透性控制也至關(guān)重要。傳統(tǒng)的試錯(cuò)法制定工藝不僅研發(fā)周期長(zhǎng)，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(xù)處理等環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合優(yōu)化。
PART02
Simufact Forming：鍛造工藝的“數(shù)字實(shí)驗(yàn)室”
海克斯康Simufact Forming鍛造工藝仿真包括鐓粗、模鍛、拉伸、拔長(zhǎng)、自由鍛、擠壓、輥鍛、線割、熱處理等工藝，能夠幫助用戶通過(guò)仿真的方式實(shí)現(xiàn)鍛造成形工藝虛擬試錯(cuò)，通過(guò)對(duì)成形過(guò)程中材料流動(dòng)、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、折疊缺陷、設(shè)備噸位、微觀晶粒等分析，幫助優(yōu)化鍛造工藝。
PART03
水輪機(jī)軸優(yōu)化材料利用率的挑戰(zhàn)
在水輪機(jī)軸的制造過(guò)程中，提高材料利用率對(duì)控制成本至關(guān)重要。材料損耗主要來(lái)自底部廢料、過(guò)渡區(qū)域切除、端部鼓包修整以及其他工藝性損耗。
該團(tuán)隊(duì)熱衷于優(yōu)化大型直徑水輪機(jī)軸鑄錠的重量，對(duì)材料利用效率提出了極高要求，這需要在整個(gè)鍛造工藝中采取系統(tǒng)性優(yōu)化措施。其中，解決端部膨脹導(dǎo)致的材料損失尤為關(guān)鍵——膨脹不僅會(huì)增加鍛件重量，還會(huì)影響最終成型精度。
傳統(tǒng)工藝通常在開(kāi)槽后對(duì)底部廢料進(jìn)行熱切割，但將其整合到最終產(chǎn)品中存在技術(shù)難點(diǎn)。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(huì)加劇鍛造過(guò)程的復(fù)雜性：金屬流動(dòng)的不可預(yù)測(cè)性可能直接影響鍛件質(zhì)量。
展開(kāi) CFD仿真技術(shù)在水輪機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用簡(jiǎn)介
CFD技術(shù)在水輪機(jī)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用使其地位變得越來(lái)越重要。其中主要原因是：在模型轉(zhuǎn)輪制造之前就可以采用CFD對(duì)水力設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，這樣可以大大減少模型試驗(yàn)的時(shí)間和費(fèi)用。其次，采用CFD可以對(duì)最終設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪葉片型線進(jìn)行優(yōu)化，這在傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)方法中是幾乎不可能的。
下文是CFD仿真技術(shù)在解決水輪機(jī)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中部分常見(jiàn)工程問(wèn)題的簡(jiǎn)要介紹：
1、水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)
蝸殼的水力設(shè)計(jì)
固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)
尾水管的水力設(shè)計(jì)
水輪機(jī)的效率是考察其性能的最重要的指標(biāo)之一。借助ANSYS強(qiáng)大的數(shù)值分析工具，工程師可以在模型實(shí)驗(yàn)之前對(duì)水力設(shè)計(jì)的質(zhì)量進(jìn)行綜合且細(xì)致的評(píng)判。
2、水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)
尾水管渦帶的仿真
葉道渦、卡門渦仿真
轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的動(dòng)靜干涉
非設(shè)計(jì)工況的壓力脈動(dòng)
過(guò)渡過(guò)程的壓力脈動(dòng)
ANSYS軟件可以分析水輪機(jī)運(yùn)行中的非定常水力激勵(lì)力。通過(guò)比較轉(zhuǎn)輪內(nèi)與轉(zhuǎn)輪外流道的水壓力脈動(dòng)特性，分析動(dòng)靜干涉、葉道渦、卡門渦等引起的壓力脈動(dòng)頻率與幅值特性，分析脈動(dòng)傳遞與衰減等影響。總結(jié)發(fā)現(xiàn)尾水管內(nèi)渦帶引起的壓力脈動(dòng)與受其影響的轉(zhuǎn)輪內(nèi)的壓力脈動(dòng)的聯(lián)系，找出了兩者之間的頻率計(jì)算公式，及不同運(yùn)行工況不同渦帶特性下的計(jì)算公式的修正方法。
展開(kāi) 設(shè)計(jì)仿真 | Simufact Forming仿真技術(shù)破解水輪機(jī)軸鍛造難題
PART01
水輪機(jī)軸鍛造工藝的挑戰(zhàn)與機(jī)遇
水輪機(jī)軸作為水力發(fā)電設(shè)備的核心部件，不僅是能量轉(zhuǎn)化的物理載體，更是水電系統(tǒng)安全與經(jīng)濟(jì)性的基石。其設(shè)計(jì)、制造與維護(hù)水平直接決定著機(jī)組的發(fā)電效率、使用壽命及抗風(fēng)險(xiǎn)能力。在鍛造工藝方面，水輪機(jī)軸面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是大型鍛件（直徑可達(dá)1.5米，長(zhǎng)度超過(guò)10米）易出現(xiàn)成分偏析和晶粒粗大等問(wèn)題。由于結(jié)構(gòu)尺寸龐大，端部鍛造流動(dòng)缺陷可能導(dǎo)致材料去除量增加，影響材料利用率，同時(shí)鍛后熱處理的淬透性控制也至關(guān)重要。傳統(tǒng)的試錯(cuò)法制定工藝不僅研發(fā)周期長(zhǎng)，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(xù)處理等環(huán)節(jié)進(jìn)行綜合優(yōu)化。
PART02
Simufact Forming：
鍛造工藝的“數(shù)字實(shí)驗(yàn)室”
海克斯康Simufact Forming鍛造工藝仿真包括鐓粗、模鍛、拉伸、拔長(zhǎng)、自由鍛、擠壓、輥鍛、線割、熱處理等工藝，能夠幫助用戶通過(guò)仿真的方式實(shí)現(xiàn)鍛造成形工藝虛擬試錯(cuò)，通過(guò)對(duì)成形過(guò)程中材料流動(dòng)、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、折疊缺陷、設(shè)備噸位、微觀晶粒等分析，幫助優(yōu)化鍛造工藝。
PART03
水輪機(jī)軸優(yōu)化材料利用率的挑戰(zhàn)
在水輪機(jī)軸的制造過(guò)程中，提高材料利用率對(duì)控制成本至關(guān)重要。材料損耗主要來(lái)自底部廢料、過(guò)渡區(qū)域切除、端部鼓包修整以及其他工藝性損耗。
該團(tuán)隊(duì)熱衷于優(yōu)化大型直徑水輪機(jī)軸鑄錠的重量，對(duì)材料利用效率提出了極高要求，這需要在整個(gè)鍛造工藝中采取系統(tǒng)性優(yōu)化措施。其中，解決端部膨脹導(dǎo)致的材料損失尤為關(guān)鍵——膨脹不僅會(huì)增加鍛件重量，還會(huì)影響最終成型精度。
傳統(tǒng)工藝通常在開(kāi)槽后對(duì)底部廢料進(jìn)行熱切割，但將其整合到最終產(chǎn)品中存在技術(shù)難點(diǎn)。
展開(kāi) 余能回收水輪機(jī)葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)與性能研究
設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)改變包角曲線實(shí)現(xiàn)葉片骨線的控制，變化幅度可定量設(shè)定。葉片骨線參數(shù)化設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖1，計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表1。
圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程
表1 參數(shù)化設(shè)計(jì)計(jì)算表
為降低微型余能回收水輪機(jī)的生產(chǎn)難度和成本，對(duì)過(guò)流部件適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了優(yōu)化，余能回收水輪機(jī)全流道仿真模型僅包括蝸殼、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪和尾水管，如圖2所示。
圖2 余能回收水輪機(jī)全流道模型
某輸水管網(wǎng)末端壓力較高，經(jīng)測(cè)量可利用壓頭約31m，平均流量為720/h，采用余能回收水輪機(jī)進(jìn)行發(fā)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(shù)化設(shè)計(jì)方法對(duì)每個(gè)微元段進(jìn)行計(jì)算，最終得到葉片骨線坐標(biāo)。按等厚度規(guī)律對(duì)骨線加厚并對(duì)翼型進(jìn)出口邊倒圓得到葉片翼型如圖3，設(shè)計(jì)得到的葉片骨線包角曲線如圖4。
圖3 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程
圖4 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程
水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口速度矩分布對(duì)性能有影響，為達(dá)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(cè)骨線包角。修改前、后葉片骨線參數(shù)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(jiàn)圖6。
展開(kāi) 
【技術(shù)】使用TCFD進(jìn)行弗朗西斯水輪機(jī)CFD仿真驗(yàn)證
本報(bào)告中采用TCFD軟件對(duì)弗朗西斯水輪機(jī)進(jìn)行了CFD仿真驗(yàn)證，該項(xiàng)目與水輪機(jī)制造公司Hidroenergia共同完成。項(xiàng)目中對(duì)某現(xiàn)有實(shí)際水輪機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)與TCFD的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，TCFD仿真得到的水輪機(jī)效率、功率等數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果高度吻合。
基準(zhǔn)參數(shù)：
設(shè)計(jì)流速：10m/s
葉片數(shù)：13
轉(zhuǎn)速：600 RPM
功率：3000 kW
流動(dòng)模型：不可壓
參考密度：996 kg/m3
網(wǎng)格數(shù)：500萬(wàn)
動(dòng)力粘性系數(shù)：1.0*10-3 Pa?s
流動(dòng)介質(zhì)：水
湍流模型：realizable k-epsilon
流體域：4
湍流強(qiáng)度：5%
弗朗西斯水輪機(jī)-FORTUNA二級(jí)水電站
弗朗西斯水輪機(jī)是一種結(jié)合了徑向和軸向流動(dòng)的內(nèi)流式反擊式水輪機(jī)，是當(dāng)今最常用的水輪機(jī)形式。在本次仿真測(cè)試中研究的這款弗朗西斯水輪機(jī)被用在巴西的米納斯吉拉斯州的FORTUNA二級(jí)水電站上。該水電站擁有三臺(tái)弗朗西斯水輪機(jī)，下方的圖片展示了機(jī)組的安裝過(guò)程。
弗朗西斯水輪機(jī)由以下幾個(gè)主要部件組成：
蝸殼：水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪周圍的螺旋殼體稱為蝸殼。水流進(jìn)入蝸殼后，經(jīng)過(guò)導(dǎo)葉進(jìn)入葉輪對(duì)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(jìn)入葉片時(shí)能夠保持接近恒定的速度。
導(dǎo)流和支撐葉片：導(dǎo)流和支撐葉片的主要功能是將流體的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，并將流體以設(shè)計(jì)角度引導(dǎo)到工作葉片。
工作葉片（葉輪）：工作葉片是水輪機(jī)的心臟。它們是水輪機(jī)工作的中心，水流沖擊產(chǎn)生的切向力使葉輪旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生扭矩。
展開(kāi) 多物理場(chǎng)仿真解決混流式水輪機(jī)中的振動(dòng)問(wèn)題
水輪機(jī)中強(qiáng)大的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)可能給機(jī)械的性能、壽命和安全造成嚴(yán)重的不利影響。它會(huì)導(dǎo)致噪聲、裂紋乃至機(jī)械故障。
全球領(lǐng)先的水電設(shè)備、技術(shù)和服務(wù)供應(yīng)商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強(qiáng)烈振動(dòng)可能導(dǎo)致混流式水輪機(jī)導(dǎo)流葉片出現(xiàn)疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機(jī)中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環(huán)繞在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪周圍。靜態(tài)的導(dǎo)流葉片用于調(diào)節(jié)并將水流導(dǎo)向轉(zhuǎn)輪的外沿。
在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)部，水壓的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為扭矩，促使轉(zhuǎn)輪和連著的軸和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。水從下方垂直離開(kāi)轉(zhuǎn)輪，并進(jìn)入尾水管，剩余的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為額外的壓力水頭。
使用結(jié)構(gòu)仿真，Voith 的工程團(tuán)隊(duì)排除導(dǎo)流葉片的自激勵(lì)和諧振是導(dǎo)致振動(dòng)的原因。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)，他們判斷出轉(zhuǎn)輪葉片（而不是導(dǎo)流葉片）上存在渦旋脫落，其是導(dǎo)致振動(dòng)的原因。這部機(jī)器由24 個(gè)導(dǎo)流葉片和13 個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動(dòng)測(cè)量顯示所有的導(dǎo)流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內(nèi)的相同頻率上振動(dòng)，但無(wú)法在工作過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的振動(dòng)開(kāi)展測(cè)量。
導(dǎo)流葉片振動(dòng)的物理測(cè)量。圖片由Voith提供。
模態(tài)分析說(shuō)明導(dǎo)流葉片自然頻率遠(yuǎn)離于測(cè)得的振動(dòng)頻率。圖片由Voith提供。
簡(jiǎn)化水域中的轉(zhuǎn)輪聲學(xué)有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉(zhuǎn)輪上渦旋脫落如何給導(dǎo)流葉片造成不利影響，該團(tuán)隊(duì)利用水域中轉(zhuǎn)輪的有限元模型進(jìn)行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉(zhuǎn)輪和流道之間的動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果證明是轉(zhuǎn)輪葉片后緣的激勵(lì)導(dǎo)致了振動(dòng)。仿真結(jié)果與測(cè)量得到的振動(dòng)頻率吻合，大約在300Hz。通過(guò)修改原型轉(zhuǎn)輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動(dòng)明顯得到減輕。
展開(kāi) 基于Flowmaster2的水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真建模方法
為了方便快捷地仿真水電站水力動(dòng)態(tài)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(dǎo)出了建立水電仿真系統(tǒng)過(guò)程中最關(guān)鍵部件水輪發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型,詳細(xì)介紹建立其仿真模型的步驟和編程方法。通過(guò)對(duì)一混流式水輪機(jī)組進(jìn)行了建模,表明文中的方法能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)水電站水力系統(tǒng)仿真建模,為大型水利水電工程數(shù)字仿真奠定了必要的基礎(chǔ)
基于Flowmaster2的水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)態(tài)仿真建模方法.pdf
展開(kāi) 使用TCFD進(jìn)行弗朗西斯水輪機(jī)CFD仿真驗(yàn)證
本報(bào)告中采用TCFD軟件對(duì)弗朗西斯水輪機(jī)進(jìn)行了CFD仿真驗(yàn)證，該項(xiàng)目與水輪機(jī)制造公司Hidroenergia共同完成。項(xiàng)目中對(duì)某現(xiàn)有實(shí)際水輪機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并將測(cè)試數(shù)據(jù)與TCFD的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，TCFD仿真得到的水輪機(jī)效率、功率等數(shù)據(jù)與試驗(yàn)結(jié)果高度吻合。
多物理場(chǎng)仿真解決混流式水輪機(jī)中的振動(dòng)問(wèn)題
水輪機(jī)中強(qiáng)大的振動(dòng)和壓力脈動(dòng)可能給機(jī)械的性能、壽命和安全造成嚴(yán)重的不利影響。它會(huì)導(dǎo)致噪聲、裂紋乃至機(jī)械故障。
全球領(lǐng)先的水電設(shè)備、技術(shù)和服務(wù)供應(yīng)商之一，Voith Hydro 公司觀察到，強(qiáng)烈振動(dòng)可能導(dǎo)致混流式水輪機(jī)導(dǎo)流葉片出現(xiàn)疲勞裂紋。在立軸混流式水輪機(jī)中，水從水平方向流入螺旋形管道（蝸殼），其環(huán)繞在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)輪周圍。靜態(tài)的導(dǎo)流葉片用于調(diào)節(jié)并將水流導(dǎo)向轉(zhuǎn)輪的外沿。
在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)部，水壓的勢(shì)能轉(zhuǎn)化為扭矩，促使轉(zhuǎn)輪和連著的軸和發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。水從下方垂直離開(kāi)轉(zhuǎn)輪，并進(jìn)入尾水管，剩余的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為額外的壓力水頭。
使用結(jié)構(gòu)仿真，Voith 的工程團(tuán)隊(duì)排除導(dǎo)流葉片的自激勵(lì)和諧振是導(dǎo)致振動(dòng)的原因。利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）技術(shù)，他們判斷出轉(zhuǎn)輪葉片（而不是導(dǎo)流葉片）上存在渦旋脫落，其是導(dǎo)致振動(dòng)的原因。這部機(jī)器由24 個(gè)導(dǎo)流葉片和13 個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動(dòng)測(cè)量顯示所有的導(dǎo)流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內(nèi)的相同頻率上振動(dòng)，但無(wú)法在工作過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的振動(dòng)開(kāi)展測(cè)量。
導(dǎo)流葉片振動(dòng)的物理測(cè)量。圖片由Voith提供。
模態(tài)分析說(shuō)明導(dǎo)流葉片自然頻率遠(yuǎn)離于測(cè)得的振動(dòng)頻率。圖片由Voith提供。
簡(jiǎn)化水域中的轉(zhuǎn)輪聲學(xué)有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉(zhuǎn)輪上渦旋脫落如何給導(dǎo)流葉片造成不利影響，該團(tuán)隊(duì)利用水域中轉(zhuǎn)輪的有限元模型進(jìn)行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉(zhuǎn)輪和流道之間的動(dòng)力學(xué)行為。結(jié)果證明是轉(zhuǎn)輪葉片后緣的激勵(lì)導(dǎo)致了振動(dòng)。仿真結(jié)果與測(cè)量得到的振動(dòng)頻率吻合，大約在300Hz。通過(guò)修改原型轉(zhuǎn)輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動(dòng)明顯得到減輕。
展開(kāi) 【結(jié)構(gòu)仿真教程】5分鐘學(xué)會(huì)水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉強(qiáng)度分析
一、案例背景
水輪機(jī)是水電站發(fā)電用的設(shè)備，活動(dòng)導(dǎo)葉是水輪機(jī)的一個(gè)部件，可以預(yù)先調(diào)節(jié)水的流量和角度。因此活動(dòng)導(dǎo)葉會(huì)承受較大水壓，發(fā)生微小變形，設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行靜強(qiáng)度分析。
本案例需要的輸入文件和參數(shù)信息如下表：
圖1 幾何模型
二、導(dǎo)入幾何
a. 啟動(dòng)AIFEM 2024R1；
b. 在窗口左側(cè)點(diǎn)擊+新建方案，自定義文件的保存路徑，并填寫文件名“水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉”，點(diǎn)擊保存；
圖2 新建方案
c. 在“導(dǎo)入幾何”彈窗中選擇安裝目錄案例集文件夾下對(duì)應(yīng)的幾何文件Vane.step，導(dǎo)入到新模型，模型名稱Vane，點(diǎn)擊導(dǎo)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(dǎo)入
三、劃分網(wǎng)格
a. 順著左側(cè)功能樹(shù)從上到下操作，就能完成整個(gè)設(shè)置。功能樹(shù)前有提示圖標(biāo)，紅色代表必須要設(shè)置，綠色空心代表可選擇設(shè)置，不設(shè)置也能求解，綠色對(duì)鉤代表已設(shè)置完成，且設(shè)置正確；
圖4 設(shè)置界面
b. 點(diǎn)擊網(wǎng)格處的加號(hào)，選四面體網(wǎng)格，對(duì)象選擇整個(gè)模型。單元階次設(shè)為二階，全局網(wǎng)格尺寸設(shè)為20mm，其余保持默認(rèn)，點(diǎn)擊生成，體網(wǎng)格就生成好了。
圖5 網(wǎng)格劃分
四、材料選擇
a. 葉片材料是鋼，點(diǎn)擊材料庫(kù)圖標(biāo)，選擇鋼，確定。
圖6 材料選擇
五、賦予屬性
a. 點(diǎn)擊加號(hào)，固體屬性，對(duì)象選擇整個(gè)模型，下面材料已經(jīng)默認(rèn)選擇了我們剛從材料庫(kù)中指定的鋼，確定。
圖7 固體屬性
六、分析設(shè)定
a. 點(diǎn)擊加號(hào)新增一個(gè)分析，我們做的是靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，子分析步選靜力，點(diǎn)擊繼續(xù)；
圖8 新增分析
b.
展開(kāi) 旋轉(zhuǎn)機(jī)械CFD仿真解決方案合集，涉及發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)機(jī)、水輪機(jī)（內(nèi)含6個(gè)免費(fèi)干貨視頻）
2023年10月25日 Fidelity風(fēng)機(jī)高質(zhì)量網(wǎng)格仿真一體化解決方案——Cadence CFD 極速前處理
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風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能仿真是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題，涉及到不同時(shí)間和空間尺度，要想得到高保真度的風(fēng)機(jī)性能預(yù)報(bào)，必須有高質(zhì)量的網(wǎng)格提供保障。如何采用更專業(yè)的CFD工具，進(jìn)行快速、高質(zhì)量的風(fēng)機(jī)網(wǎng)格制作，以及快速、高精度地預(yù)測(cè)其氣動(dòng)特性，答案就在本期的Fidelity Pointwise風(fēng)機(jī)高質(zhì)量網(wǎng)格制作和仿真一體化解決方案。本次直播將從高質(zhì)量邊界層網(wǎng)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(fēng)機(jī)上的網(wǎng)格生成特色功能，F(xiàn)idelity的快速風(fēng)場(chǎng)求解方案、優(yōu)化技術(shù)以及海上風(fēng)電專用技術(shù)。
2023年11月22日 Cadence Fidelity 水泵水輪機(jī)CFD模擬解決方案和應(yīng)用
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水泵和水輪機(jī)的CFD模擬會(huì)面臨很多問(wèn)題，如幾何復(fù)雜性帶來(lái)的網(wǎng)格質(zhì)量問(wèn)題，動(dòng)靜區(qū)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(wèn)題以及氣蝕等。本期直播以Cadence Fidelity為工具，圍繞“全自動(dòng)化結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分”，“計(jì)算魯棒性”，“氣蝕”以及“性能優(yōu)化”等為主題展開(kāi)討論水泵水輪機(jī)CFD模擬解決方案和應(yīng)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(jìn)透平機(jī)械設(shè)計(jì)
講師介紹： 吳昌 Cadence CFD 應(yīng)用工程師
碩士攻讀流體機(jī)械專業(yè)，博士攻讀動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)。一直致力于CFD的應(yīng)用與二次開(kāi)發(fā)等工作，具有豐富的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)。多次主導(dǎo)及參與葉輪機(jī)械氣動(dòng)，傳熱與噪聲優(yōu)化項(xiàng)目。
直播內(nèi)容：
透平機(jī)械在當(dāng)今的能源轉(zhuǎn)型和脫碳戰(zhàn)略中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。
展開(kāi) 
軸流式水輪機(jī)
軸流式水輪機(jī)CFX分析
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不要讓渦流繩束縛您的水輪機(jī)
Cadence 的產(chǎn)品工程經(jīng)理 Wout Poncelet 和 Numlberica 的 Hydro CFD 顧問(wèn) Remi Lestriez 討論了水輪機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)特性，并展示了可靠的 CFD 模擬，以在非設(shè)計(jì)條件下對(duì)渦流繩進(jìn)行建模和分析。標(biāo)題為使用 Omnis CFD 平臺(tái)模擬水輪機(jī)的視頻演示 可在CadenceTECHTALK 上獲得。
介紹
在水電領(lǐng)域，水輪機(jī)主要用于將落水的能量轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，然后再轉(zhuǎn)化為電能。混流式水輪機(jī)或反應(yīng)式水輪機(jī)屬于出現(xiàn)在高達(dá) 800 MW 功率范圍內(nèi)的水輪機(jī)類別。這些渦輪機(jī)的特點(diǎn)是徑向流入、入口葉片、轉(zhuǎn)輪和通過(guò)尾水管的軸向流出。它們可以在很寬的時(shí)間范圍內(nèi)快速響應(yīng)任何負(fù)載變化。
圖 1. 引導(dǎo)水流進(jìn)入水輪機(jī)的入口葉片（左側(cè)）、GAMM 渦輪機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)（中間）以及渦輪機(jī)的部件，即導(dǎo)流管、葉片和轉(zhuǎn)輪（右側(cè)）。
在其最佳效率點(diǎn)的大約 50% 到 70% 的負(fù)載下，混流式水輪機(jī)會(huì)產(chǎn)生空化渦繩，這會(huì)導(dǎo)致壓力波動(dòng)。這種部分負(fù)載浪涌也稱為Rheinganz 頻率。此處產(chǎn)生的頻率約為渦輪轉(zhuǎn)速的 1/3。運(yùn)行中的這種不穩(wěn)定行為不僅在部分負(fù)載下觀察到，而且在標(biāo)稱滿載和過(guò)載時(shí)也觀察到。在本次 Cadence TECHTalk 中，演講者討論了渦流繩對(duì)水輪機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)的不同挑戰(zhàn)，以及如何在非設(shè)計(jì)條件下準(zhǔn)確分析渦流繩。
渦流繩帶來(lái)的挑戰(zhàn)
渦繩是混流式水輪機(jī)尾水管錐體中高雷諾數(shù)時(shí)發(fā)生的一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。在此類渦輪機(jī)的尾水管中觀察到兩種類型的渦流：
滿載脈動(dòng)渦流繩
部分載荷下的螺旋渦流繩。
在非設(shè)計(jì)條件下運(yùn)行的水輪機(jī)尾水管內(nèi)的流動(dòng)通常具有復(fù)雜的渦流特征，這會(huì)導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象。
展開(kāi) HBK助力Rainpower，確保水輪機(jī)持續(xù)運(yùn)行
<p><br></p><p> <img src="https://img.jishulink.com/202112/imgs/d9f71d9bffe04825825fd21ca0de9063"> </p><p class="ql-align-justify"><strong style="color: rgb(0, 50, 120);">工程服務(wù)專家開(kāi)發(fā)了獨(dú)特的水輪機(jī)葉片測(cè)量工具</strong></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><span style="color: rgb(68, 68, 68);">Rainpower是一家挪威公司，一直致力于水力發(fā)電設(shè)備的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、制造和服務(wù)，在水電行業(yè)擁有超過(guò)165年的經(jīng)驗(yàn)。公司在挪威擁有一個(gè)渦輪機(jī)實(shí)驗(yàn)室，自1985年起，Rainpower一直為新渦輪機(jī)測(cè)試和開(kāi)發(fā)提供專業(yè)服務(wù)，并參與了世界上一些享有盛名的項(xiàng)目，包括中國(guó)三峽大壩等。</span></p><p><br></p><p><strong style="color: rgb(0, 50, 120);">挑戰(zhàn)</strong></p><p><span style="color: rgb(68, 68, 68);">由于葉片是水輪機(jī)的關(guān)鍵組件，Rainpower公司為此開(kāi)發(fā)了一種名為“</span><strong style="color: rgb(11, 154, 51);">飛行記錄器</strong><span style="color: rgb(68, 68, 68);">”的新型測(cè)量工具，用于精確測(cè)量這些組件上的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，從而確保水輪機(jī)即使在惡劣的條件下仍能持續(xù)運(yùn)行。
展開(kāi) 某燈泡貫流式水輪機(jī)關(guān)鍵部件CFD分析
（4）槳葉：以葉片壓力曲面和吸力曲面的曲率走向?yàn)榛A(chǔ)，向葉片的輪緣，輪轂方向延伸這兩個(gè)曲面，并按初始水力設(shè)計(jì)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(shí)體。
（5）將流道體、燈泡體、轉(zhuǎn)輪體、導(dǎo)葉、槳葉按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸裝配到一起，陣列16個(gè)導(dǎo)葉、4個(gè)槳葉，然后用布爾運(yùn)算將流道中的燈泡體、轉(zhuǎn)輪體、導(dǎo)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(jī)水體模型
1.2網(wǎng)格的劃分
針對(duì)計(jì)算區(qū)域結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度不同的特點(diǎn)，采用分塊網(wǎng)格技術(shù)將整個(gè)子區(qū)域（進(jìn)水流道、導(dǎo)葉、葉片、尾水管）分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)榍傲鞯篮臀菜芙Y(jié)構(gòu)較規(guī)則，所以采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而導(dǎo)葉和葉片是由相對(duì)復(fù)雜的不規(guī)則曲面構(gòu)成的部件，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格十分困難，所以采用四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。最終將各網(wǎng)格子單元按照模型的順序嵌套為整體網(wǎng)格，如圖2，共有1000多萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。
圖2燈泡貫流式水輪機(jī)全流道網(wǎng)格
1.3 CFD計(jì)算方法
（1）控制方程：燈泡貫流式水輪機(jī)遵循連續(xù)方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程、組分質(zhì)量守恒方程、氣體狀態(tài)方程和通用控制方程。
（2）邊界條件：進(jìn)口邊界為質(zhì)量流量，出口邊界為給定靜壓。當(dāng)壁面靜止時(shí)，設(shè)置成壁面無(wú)滑移條件；當(dāng)壁面平移或者旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)給出壁面切應(yīng)力模擬壁面滑移。在動(dòng)、靜交界的耦合面設(shè)成滑移網(wǎng)格交界面。采用SIMPLEC算法實(shí)現(xiàn)壓力和速度的分離求解。
（3）計(jì)算湍流模型的選取：鑒于燈泡貫流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、流道有較多曲面，會(huì)帶來(lái)大曲率流動(dòng)。為了準(zhǔn)確地模擬這種流動(dòng)，本文選用RNG k-ε湍流模型。
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