基于CFD的水轮机内部流场数值模拟与分析

汤 亮，徐晨薇

（湖北工业大学机械工程学院，湖北 武汉430068）

水轮机是一种广泛应用于给水排水工程、工业工程、航空航天和航海工程、能源工程、车辆工程等的通用水利机械。在传统的水轮机研发过程中，水利设计模型往往要经过多次性能试验，改进和提高水轮机的性能及效率成为研发的重要目标［1］。CFD技术是流体力学研究除理论、实验之外的另一种重要手段，其分析作用减少了大量实验，也节省了大量的财力和物力，带来了可观的社会效益和经济效益［2］。本文建立了以二维粘性数值模拟软件为基础的水轮机流体机械模型，采用标准k－ε湍流模型和simple算法对水轮机内部流场进行数值模拟，较为确切地分析了流场分布特征，并使用传统的理论预测了水轮机的水利效率，将预测值与实验值进行对比。

1 流体流动的控制方程

1.1 守恒控制方程

数值模拟计算可以看成是对方程的求解，而方程是经过离散来进行求解的，那么对于流体的流动问题，都要求解质量和动量守恒方程，当流动是湍流时，还要解附加湍流运动方程，因为水轮机内部流场变化比较复杂，所以用数值模拟的方式预测水轮机内部流动特性，对设计高效可靠的水轮机、评价和改造现有水轮机的性能是十分必要的。要保证模拟计算的可靠和有效，需要充分了解和掌握各个数学模型，选择准确适合的数学计算模型显得尤为关键。流体在水轮机内的运动可看做恒温牛顿流……