【技术】使用TCFD进行弗朗西斯水轮机CFD仿真验证

本报告中采用TCFD软件对弗朗西斯水轮机进行了CFD仿真验证，该项目与水轮机制造公司Hidroenergia共同完成。项目中对某现有实际水轮机进行了试验测试，并将测试数据与TCFD的仿真数据进行了比较，TCFD仿真得到的水轮机效率、功率等数据与试验结果高度吻合。

基准参数：

弗朗西斯水轮机是一种结合了径向和轴向流动的内流式反击式水轮机，是当今最常用的水轮机形式。在本次仿真测试中研究的这款弗朗西斯水轮机被用在巴西的米纳斯吉拉斯州的FORTUNA二级水电站上。该水电站拥有三台弗朗西斯水轮机，下方的图片展示了机组的安装过程。

弗朗西斯水轮机由以下几个主要部件组成：

蜗壳：水轮机转轮周围的螺旋壳体称为蜗壳。水流进入蜗壳后，经过导叶进入叶轮对叶轮做功，蜗壳的横截面积沿圆周均匀减小，所以流体在不同位置进入叶片时能够保持接近恒定的速度。

导流和支撑叶片：导流和支撑叶片的主要功能是将流体的势能转换为动能，并将流体以设计角度引导到工作叶片。

工作叶片（叶轮）：工作叶片是水轮机的心脏。它们是水轮机工作的中心，水流冲击产生的切向力使叶轮旋转，从而产生扭矩。必须密切注意叶轮入口和出口的叶片角度设计，这些参数对叶轮做功能力有关键影响。

尾水管：尾水管是将转轮出口连接到尾座圈的导管，尾水从涡轮排出。其主要功能是降低排出水的速度，以更大程度减少出口处动能损失。

TCFD目前支持stl格式模型的导入，我们需要对水轮机模型进行处理。去除模型中微小的、不相关的和有问题的部分，并且封闭所有孔（需要保证表面水密）。模型前处理阶段在整个工作流程中非常重要，模型的精度会限制最终的仿真模拟精度。

在这个弗朗西斯水轮机项目中，CAD模型被划分为四个部分：蜗壳，导流/支撑叶片，叶轮和尾水管。每个部件都是水密的，并包括入口交界面，出口交界面和相应的壁面（蜗壳壁面，叶片，前盖板，后盖板，支撑叶片，导流叶片、尾水管壁面等），对于每个单独的部件都创建了各自的体网格。

计算网格是采用TCFD中的snappyHexMesh模块自动构建的。对于水轮机的各个部件，设置背景网格的大小，再对各部位进行网格加密。整个水轮机模型，长6237mm，高3364mm，宽3473mm，基础网格为边长10mm的立方体。

对壁面进行网格加密，TCFD中可以便捷的更改网格加密级别，以获得粗糙或细致的网格，能够更好地处理网格大小，并可以定义边界层网格。

用于模拟的最终网格数为4937072，其中大部分为六面体网格。（蜗壳：268751，导流和支撑叶片:3256434，叶轮:1253858，尾水管：158029）.

如有需要，也可以在其他网格工具中进行网格划分，并以MSH、CGNS或OpenFOAM网格格式导入TCFD中进行仿真计算。

完整的CFD模拟设置在TCFD可视化界面中完成。水轮机包含4个流动域，它们之间通过交界面来连接。交界面有frozen rotor和mixing plane两种选项可供选择。

下图为当前设置下流体在模型中的流动过程，通过该流程图能够判断当前模型连接顺序是否正确。

仿真计算以稳态模型进行自动计算，共计算10个不同流量的工况点，TCFD中可以在一个算例中直接设定多个转速及多个流量工况点进行依次计算。TCFD能够在仿真过程中随时记录结果，在仿真过程中会监视任何数量的收敛情况。当一个工况点满足收敛条件时，仿真会自动移至下一个工况点。当前模型，单工况点仿真大约需要30个核心*小时。

TCFD拥有一个内置的后处理模块，该模块可以自动计算客户所需的物理量，例如效率，扭矩，轴向力，流量，压力，速度等等。在整个模拟运行过程中会评估所有这些物理量，并且所有重要数据都将汇总到HTML报告中，该报告可在模拟过程中随时更新。所有模拟数据也都保存在表格.csv文件中，以供客户进一步评估。此外，可以使用后处理模块对空间物理场进行可视化后处理。

扭矩是水轮机模拟中一个非常重要的参数，它是流体流动压力和流体在叶轮表面上的粘性力共同作用的结果。水轮机的功率由以下简单的公式算得：P=T*。其中，P为功率，T为扭矩，是角速度。下图显示了CFD计算得到的功率与试验测量的功率比较。本例共研究了10个水轮机流量工况，对应于10个导叶开口角度。

 

水轮机效率是工作叶轮获得的能量与流质势能的比值，其表达式为：，其中，为效率，P为功率，g为重力加速度，为密度，h为净水头（它的数值由进出口总压差算得）。由测量方法限制，所有模拟均考虑使用47.91 m的参考水头。下图显示了CFD模拟的水轮机效率与试验测量获得的水轮机效率的比较。本例共研究了10个水轮机流量，对应于10个导叶开口角度。

对水轮机模拟结果的另一个重要评估是子午流面上各物理量的可视化云图。子午面云图为用户提供了一些重要信息，例如总压是如何在水轮机的流道中耗散的。为实现这样的功能，在后处理中创建了提取子午面平均值的功能，它将创建一个子午面上的几何切片（一个平面），并将所有场数据取周向平均值后，投影到该平面上。该子午面取平均的方法忽略了叶片等实际因素。

对水轮机模拟结果的另一个重要评估是B-B流面上各物理量的可视化云图。该流面的可视化云图为用户提供了各个参数在展向不同叶高位置的变化情况。TCFD中能够直接显示B-B截面的流迹及速度云图等，客户可以观察到流体流动的平稳程度以及流体在叶片前缘的攻角等。

下图显示了相对叶高0.99、0.8、0.6和0.4四个截面的流场云图。

本例成功地使用TCFD对实际的弗朗西斯水轮机进行了多个工况的CFD分析。结果表明，TCFD模拟预测具有很高的精度，弗朗西斯水轮机的功率和效率与实际的测量数据高度吻合，并能够便捷的展示内部流场情况。

在设计和验证过程的各个阶段，TCFD都是对水轮机进行全面CFD模拟分析的非常有效的工具。