行業方案 | CFD仿真技術在水輪機產品設計中的應用簡介

2018-06-02  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

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:

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。

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。

水輪機的空化

• 不同水頭、導葉開度下的空化狀態

• 空化-效率曲線計算

• 空化引起的壓力脈動

  
  

ANSYS軟件可以進行水輪機全流道空化流計算,得到內部兩相空化流場的詳細情況,預測水輪機的空化性能。

含沙水流分析及磨損預測

• 顆粒多相流仿真

• 材料磨損的定性、定量分析

• 優化轉輪設計(進口直徑和出口直徑等設計參數的選擇、轉輪葉片的改進設計)

  
  

水輪機泥沙磨損不僅與過機水流的含沙量,沙粒的礦物成分、硬度、形狀、粒徑、運動速度等有關,而且受水輪機的設計、水力模型(包括葉型、流道)的空化特性及過流部件所采用材料的影響。在水力設計上,可借助于ANSYS數值模擬進行磨損預測分析。

其他(結構、流固耦合問題)

• 水輪機、發電機結構部件的剛強度分析

• 水輪機、發電機結構部件的疲勞分析

• 轉輪濕模態分析

• 水輪機多物理場分析(結構+流體)

  
  

隨著水輪機單機容量的不斷提高、新材料的使用、機組運行水頭變幅大,轉輪的水力動載荷和裂紋問題明顯增多,影響機組的安全運行。運用ANSYS軟件的結構分析、流體分析以及耦合分析可以幫助工程師更好的解決水輪機的結構場、耦合場問題。

相關CAE軟件模塊:

幾何建模: ANSYS SCDM

結構仿真分析: ANSYS Mechanical

疲勞壽命分析:ANSYS nCode Designlife、ANSYS Fatigue

流體仿真分析: ANSYS CFX、Fluent、ICEM CFD

流體機械專用模塊:ANSYS Blade Modeler、TurboGrid、VistaTF

多物理場耦合分析:ANSYS Multiphysics、ANSYS Mechanical/Emag

設計優化分析:ANSYS optiSlang

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