行業(yè)方案 | CFD仿真技術(shù)在水輪機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用簡介

2018-06-02 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

CFD技術(shù)在水輪機(jī)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用使其地位變得越來越重要。其中主要原因是:在模型轉(zhuǎn)輪制造之前就可以采用CFD對水力設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,這樣可以大大減少模型試驗(yàn)的時間和費(fèi)用。其次,采用CFD可以對最終設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪葉片型線進(jìn)行優(yōu)化,這在傳統(tǒng)的模型試驗(yàn)方法中是幾乎不可能的。下文是CFD仿真技術(shù)在解決水輪機(jī)產(chǎn)品研發(fā)過程中部分常見工程問題的簡要介紹:

水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)

蝸殼的水力設(shè)計(jì)
固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉的水力設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)
尾水管的水力設(shè)計(jì)

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水輪機(jī)的效率是考察其性能的最重要的指標(biāo)之一。借助ANSYS強(qiáng)大的數(shù)值分析工具,工程師可以在模型實(shí)驗(yàn)之前對水力設(shè)計(jì)的質(zhì)量進(jìn)行綜合且細(xì)致的評判。

水輪機(jī)的壓力脈動

尾水管渦帶的仿真
葉道渦、卡門渦仿真
轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的動靜干涉
非設(shè)計(jì)工況的壓力脈動
過渡過程的壓力脈動

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ANSYS軟件可以分析水輪機(jī)運(yùn)行中的非定常水力激勵力。通過比較轉(zhuǎn)輪內(nèi)與轉(zhuǎn)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?？偨Y(jié)發(fā)現(xiàn)尾水管內(nèi)渦帶引起的壓力脈動與受其影響的轉(zhuǎn)輪內(nèi)的壓力脈動的聯(lián)系,找出了兩者之間的頻率計(jì)算公式,及不同運(yùn)行工況不同渦帶特性下的計(jì)算公式的修正方法。

水輪機(jī)的空化

不同水頭、導(dǎo)葉開度下的空化狀態(tài)
空化-效率曲線計(jì)算
空化引起的壓力脈動

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ANSYS軟件可以進(jìn)行水輪機(jī)全流道空化流計(jì)算,得到內(nèi)部兩相空化流場的詳細(xì)情況,預(yù)測水輪機(jī)的空化性能。

含沙水流分析及磨損預(yù)測

顆粒多相流仿真
材料磨損的定性、定量分析
優(yōu)化轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)(進(jìn)口直徑和出口直徑等設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇、轉(zhuǎn)輪葉片的改進(jìn)設(shè)計(jì))

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水輪機(jī)泥沙磨損不僅與過機(jī)水流的含沙量,沙粒的礦物成分、硬度、形狀、粒徑、運(yùn)動速度等有關(guān),而且受水輪機(jī)的設(shè)計(jì)、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(shè)計(jì)上,可借助于ANSYS數(shù)值模擬進(jìn)行磨損預(yù)測分析。

其他(結(jié)構(gòu)、流固耦合問題)

水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)部件的剛強(qiáng)度分析
水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)部件的疲勞分析
轉(zhuǎn)輪濕模態(tài)分析
水輪機(jī)多物理場分析(結(jié)構(gòu)+流體)

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隨著水輪機(jī)單機(jī)容量的不斷提高、新材料的使用、機(jī)組運(yùn)行水頭變幅大,轉(zhuǎn)輪的水力動載荷和裂紋問題明顯增多,影響機(jī)組的安全運(yùn)行。運(yùn)用ANSYS軟件的結(jié)構(gòu)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(jī)的結(jié)構(gòu)場、耦合場問題。

相關(guān)CAE軟件模塊:

幾何建模: ANSYS SCDM

結(jié)構(gòu)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(jī)械專用模塊:ANSYS Blade Modeler、TurboGrid、VistaTF

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

設(shè)計(jì)優(yōu)化分析:ANSYS optiSlang

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