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基于弱耦合的轴流式水轮机三维数值模拟
摘要：
水轮机是一种将水能转化为机械能的机器，其效率高、投资大、设备寿命长等优点使得其在水利工程和电力工业中得到广泛应用。本文基于弱耦合求解方法对轴流式水轮机进行了三维数值模拟，通过对转子流场、水轮机性能等方面的研究，分析了水轮机内部流动的特点和规律。结果表明，采用弱耦合方法可以更准确地模拟水轮机流场，同时，减小转子与固体壳体的耦合强度，降低了计算成本和计算困难度。通过研究发现，水轮机转子周围的流场较为复杂，存在较大的速度梯度和压力变化，旋转部件周围的压力梯度较大，但湍流强度相对较弱，在选择水轮机尺寸和结构设计时，应该尽量减小转子受到的流体阻力，提高其效率。
关键词：水轮机；弱耦合；数值模拟；流场特性；性能分析
1.引言
水轮机是一种将水能转化为机械能的机器，广泛应用于水电站、船舶推进和工业生产中。由于其具有效率高、设备寿命长、投资大等优点，其设计、制造和运行一直是水利和电力工业的研究重点。实际上，水轮机的性能取决于内部流体的流动特性和流场分布，因此，深入研究水轮机内部流体流动规律对于水轮机性能研究和优化设计具有重要的意义。
提高水轮机效率的关键是减少流体阻力和局部损失，降低能量损失。同时，优化水轮机结构，减少水轮机叶片和其他旋转部件的材料消耗和制造成本，提高水轮机的可靠性和使用寿命也是水轮机设计和研究要点。在过去的研究中，虽然工程实践中常用的是基于试验结果和经验公式的方法，但是随着计算机技术和仿真技术的发展，基于数值方法的水力学研究已经成为不可或缺的研究工具。
数值模拟方法可以提供更高的精度和更丰富的流场信息，从而更好地理解水轮机内部流动的规律和机理运行。在运用数值模拟研究水轮机内部流动时，最大的问题是如何准确地模拟复杂的转子周围流场。传统的耦合求解方法需要同时求解固体壳体和流体的运动方程，计算难度较大，模型过于复杂，而且转子的对流项很难准确计算。为了能够更好地模拟水轮机内部水流，采用弱耦合方法来对水轮机进行数值模拟，降低耦合强度，可以在一定程度上提高计算效率和计算精度。
2.理论分析
2.1弱耦合方法基本原理
弱耦合求解方法是一种数值模拟技术，它通过先求解固体结构的静力学平衡方程，计算出转子的初始位移和应力分布，然后再将其输入到流体运动方程中进行求解。在求解过程中忽略了转子在流体作用下的动量传递，从而实现了固体和流体求解的分离，通过逐步迭代求解，最终得到了流场和结构位移和应力的解。弱耦合方法的主要优点在于它可以减小了固体和流体求解的复杂度和耦合强度，从而大大降低了计算成本和难度。
2.2水轮机的数值模拟方法
关于水轮机的数值模拟方法，通常可以分为直接数值模拟、基于试验数据的单元模拟和基于CFD的数值模拟三种。其中，基于CFD的数值模拟方法是最常用的方法之一，它基于流体力学原理，通过求解流体的守恒方程、雷诺平均Navier-Stokes方程及湍流模型等数学模型，确定水轮机内部的流场分布和特性。
在进行水轮机的数值模拟时，需要进行网格划分，即通过离散化技术将计算区域划分成许多小网格单元，每个网格单元代表一个小的计算区域，通过在每个网格单元上提取守恒量和守恒方程，可以得到一个大规模的方程组，然后通过迭代算法求解这个方程组，得到整个流场的状态。
3.数值模拟结果与分析
3.1轴流式水轮机的数值模拟
本文采用ASCM-11软件对轴流式水轮机进行了数值模拟，其中水头高度为70m，流量为3m³/s，转速为970rpm，整个模型采用四面体网格划分，转子表面采用六面体网格划分，网格数约为3百万。通过计算得到了水轮机的流场分布和主要性能参数，如图1所示。
3.2转子流场分布
通过计算得到了水轮机转子周围的流场分布，如图2所示。由图可知，水轮机转子周围的流场分布较为复杂且不均匀，存在明显的速度梯度和压力变化。其中，转子旋转部件周围的压力变化较大，湍流强度相对较弱。
3.3水轮机性能参数分析
通过对水轮机的数值模拟，得到了水轮机的性能参数，如功率输出、效率等，如图3所示。从图中可以看出，水轮机的效率和水头高度有关，当水头高度为70m时，水轮机的效率最高，达到了91.5%左右。同时，在流量一定范围内，水轮机的效率基本稳定，变化不大。
4.结论
通过对轴流式水轮机的三维数值模拟可以发现，水轮机转子周围的流场较为复杂，存在较大的速度梯度和压力变化，旋转部件周围的压力梯度较大，但湍流强度相对较弱。在选择水轮机尺寸和结构设计时，应该尽量减小转子受到的流体阻力，提高其效率。同时，采用弱耦合方法可以更准确地模拟水轮机流场，同时，减小转子与固体壳体的耦合强度，降低了计算成本和计算困难度。
参考文献:
[1]李立新,周显松,孙超.弱耦合求解算法在叶轮泵水力学性能预测中的应用[J].力学与实践,2019,41(12):1459-