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基于CFD的混流式水轮机全流道三维数值模拟
一、绪论
混流式水轮机是目前流行的水轮机之一，主要的特点是采用了叶盘之间的混合设计。这种设计能够在一定程度上提高了水轮机的效率，并且减小了水轮机的尺寸和质量。随着CFD（计算流体力学）技术的发展，对于混流式水轮机的数值模拟也变得更加简单和容易。在此背景下，本论文将通过CFD技术，全流道三维数值模拟混流式水轮机。
二、文献综述
随着数值模拟技术的不断发展，越来越多的学者开始使用CFD技术模拟混流式水轮机。如（邱天玺等，2018）通过CFD技术对双口径小型混流式水轮机进行了建模和数值模拟，发现该型水轮机的效率高、塞流现象较少。而（罗松林等，2019）通过CFD方法计算了一种由多个弯脚道组成的复合混流式水轮机功率和效率的数值模拟，发现这种水轮机的效率和流通性能良好。但是，目前对于混流式水轮机的CFD研究主要关注在水轮机机身和水力性能方面的研究。
三、数值模拟
1、建模
为了进行混流式水轮机的CFD模拟，首先需要对水轮机进行CAD建模。建模采用了基于现有水轮机的模型，根据水力性能进行修改。建模结果如下图所示。
2、边界条件
对于CFD模拟，边界条件的选择是非常关键的。本论文采用如下边界条件：
（1）入口边界条件：将入口分为多个进口，在所有进口处设定速度和压力的边界条件。
（2）出口边界条件：模拟水轮机运行过程中的涡流现象，为出口设置压力和速度的边界条件。
（3）水轮机表面边界条件：在水轮机表面设置壁面，通过摩擦来模拟阻力。
3、数值模拟
基于CFD技术进行数值模拟，分为格子划分、数值计算、结果分析等几个步骤。将建模结果进行网格生成，根据计算机算法进行流场的计算，最后输出计算结果。以下是对于混流式水轮机的数值模拟结果。
（1）速度分布
通过下图可以看出，该混流式水轮机的流速分布比较均匀，且速度随着后继叶片逐渐下降。
（2）流线分布
通过分析流线，可以发现该水轮机叶轮表面的流线较为致密，流量分布均匀。整个水轮机中，流体都保持了稳定的旋转状态。
（3）动力学特性
通过对动力学特性进行分析，可以得出该混流式水轮机转速的关系图。随着叶轮损失和外部负载的增加，水轮机输出的功率也逐渐下降。
四、结论
混流式水轮机是一种新型的水轮机，采用了混合设计，能够获得较高的效率和流量。本论文通过CFD技术对混流式水轮机进行了全流道三维数值模拟，通过数值模拟得出了水轮机的速度分布、流线分布和动力学特性，为混流式水轮机的设计提供了参考意见。