不完全蜗壳的CFD分析及优化设计
蜗壳设计和优化
蜗壳设计和优化对于大多数径流式叶轮机械来说，蜗壳都是不可或缺的。
蜗壳一般需要定义多个横截面，这些横截面都是2D曲线并沿着圆周方向进行扫略。
一般而言，在泵和涡轮增压器中都包含蜗壳和叶轮。
对于泵和压气机而言，蜗壳的作用是，通过降低介质的速度，将其动能转化为压力势能，从而使其压力增加。
然而涡轮的蜗壳却有着相反的功能，即将废气的压力势能转化为动能（来驱动叶轮）。
CAESES是利用CFD进行自动化形状优化的先进的蜗壳设计优化工具。
其先进的参数化蜗壳模型，具有较高的稳定性，并通过高度自动化的流程能够节省您大量的工作时间。
在CAESES里创建的参数化蜗壳模型设计蜗壳的挑战系统的蜗壳流动优化是一项耗时的工作，通常这是一个反复迭代过程。
CFD 工程师会对一个之前由CAD部门设计创建的模型进行分析，得到分析结果后CFD工程师向CAD同事介绍如何改变形状，CAD工程师调整模型，并将其返回给CFD工程师。
这个循环可能需要花费几天甚至几周的时间，直到一个新的（性能改进的）蜗壳被开发出来。
考虑到（加入）其他部件（如叶轮和扩压器）能有更好的性能预测，那么情况将变得更加复杂。
理论上，CAESES能有效地将这项工作的耗时从几个月缩短到几天。
蜗舌模型这是主涡壳表面分别与入口（涡轮）或出口（压缩机）几何相交的区域。
CAESES提供各种技术和解决方案，为您解决这个棘手的工作。
这极大地加速了蜗舌几何的建模过程，并使得最终的蜗壳在自动化变形和优化期间绝对稳健。
稳健的蜗舌模型应用于自动化变形和优化过程横截面的定义CAESES中可以自定义横截面2D型线的形式，或导入现有数据以将其转换为参数化截面。
蜗壳通常由典型的分布规律控制，例如A/R比率，这些都可以在CAESES中进行设定。
CFD专家通常想要尝试自己的一些想法，并考虑更多与流动过程相符的形状控制。
这些想法和任意几何约束都可以在CAESES高度集成的蜗壳模型中直接考虑进去。
用户自定义2D横截面任意蜗壳模型的解决方案无论您使用的是何种设备或者您的蜗壳模型有多么复杂，对于全自动化模型优化，CAESES都是一个理想的选择，它可以节省您大量的时间和人力资源。
水轮机蜗壳的优化设计与CFD分析
水轮机蜗壳的优化设计与CFD分析王飞;王庆方;王勇军;李征;光斌【摘要】采用变速度矩法进行水轮机蜗壳的水力设计,在此基础上以变速度矩系数为设计变量,以蜗壳水力损失最小为目标函数建立数学模型,应用混合惩罚函数法针对实例进行优化设计,采用CFD数值模拟计算,将优化设计结果与传统设计结果进行比较分析,结果表明:采用变速度矩法设计的蜗壳尾端压力和水流流速都分布均匀,水力损失小,性能优越.%The hydraulic design of spiral cases of water turbines is conducted by means of the variable velocity moment method. On such a basis, a mathematical model is established by considering the coefficient of variable velocity moment as the design variable and the least hydraulic losses of spiral cases as the objective function. The mixed penalty function method is employed for the optimization design of a case study, and it is numerically simulated by use of CFD technology. The optimization results are compared with the traditional design ones. A conclusion is drawn that the pressure on spiral cases and flow velocity are both uniformly distributed after designed by the variable velocity moment method. The hydraulic losses are small, and the hydraulic performance is superior.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】4页(P86-88,94)【关键词】水轮机;蜗壳水力损失;CFD分析;变速度矩法;优化设计【作者】王飞;王庆方;王勇军;李征;光斌【作者单位】国家泵类产品质量监督检验中心,山东淄博255200;国家泵类产品质量监督检验中心,山东淄博255200;淄博市博山区产品质量监督检验所,山东淄博255200;淄博市博山区产品质量监督检验所,山东淄博255200;淄博市博山区产品质量监督检验所,山东淄博255200【正文语种】中文【中图分类】TK730.2蜗壳是水轮发电机组的重要组成部件，对整个机组的性能有着很大的影响。
不完全蜗壳的三维结构化网格划分及粘性流数值模拟
!
原型蜗壳与优化蜗壳的特性对比
首先计算分析了一个已有的蜗壳 （ 称为原始蜗
壳） ， 选择了导叶中心水平面上作为特征平面， 特征平 面上速度分布如图 ) 所示。 从图 ) 清晰可见， 在蜗壳出 口附近区域非蜗型部分及鼻端较其他部分速度明显 高； 同一圆周上速度方向与圆周切向夹角变化很大， 这 流量沿圆周分布不均； 固定导叶进 两个特点表明： %） #） 口可能存在较大冲角。这是非完全蜗壳的共性，尤其 是第 %） 点。基于此， 在对蜗壳优化设计过程中， 须从两 个方面考虑： 使流量沿圆周分布尽量均匀。 使固定 %） #） 导叶进口圆周上的液流角与固定导叶安放角一致，冲 角接近零。本文计算过程中，布置的原型蜗壳和优化 蜗壳的固定导叶的形状和安放角以及在圆周的位置是 一样的，这样做的目的就是为了考察蜗壳形状对机组 优 性能的影响。 图 " 为优化蜗壳特征面上的速度分布。
系列计算节点
系列 ! @!!)$ 系列 ( %$%#9E 系列 ) %!E#$$
系列 # ((9%9
与表 # 节点对应，图 9 中的 ) 条线分别为不同节 点数下的同一圆周、同一几何区液流角随包角变化关 系曲线， 从图中可见节点数为 %$%#9E 和 %!E#$$ 的液流 角的变化已经十分接近。从这一意义上说，对于此类 问题， 节点数定位在 %$$$$$ 左右是合理而经济的。 下面从另一特征量数值能量损失来考察节点数的 影响， 图 @ 为损失随节点的变化关系曲线。 从图 @ 可见，节点数大于 %$$$$$ 以后，数值能量 损失几乎不变。从以上两个特征参量都可以得出合理 的节点数为 %$$$$$ 左右。
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不完全蜗壳的三维结构化网格划分及粘性流数值模拟
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蜗壳内部含沙水两相流动的CFD模拟分析
（ 兰州理工 大学 流体动力与控制学院 ， 甘肃 兰州 ７０ ５ ） ３０ ０
摘
要 ： 于 Ｎ— 基 Ｓ方程 ， 对水轮机金属蜗壳在清水和含 沙水两相流动时的内部流场进行 了全三维
Ｃ Ｄ数值模 拟 ， Ｆ 输送 清 水介质 时采 用标 准 ｋ 湍流 模 型 ， 送 含有 固体颗 粒 的含 沙 两相介 质 时 采 一 输 用 ｋ一 Ａ 占一 ｐ模型 ， 用 笛卡儿 坐标 、 采 混合 四 面体 非结构 网格 和 ＳＭＰ Ｅ算 法进 行计 算 ， 示 了含 沙 Ｉ Ｌ 揭 水两相 流体 在 水轮 机 引 水部件 中的运动 规律 ， 分析 了水轮 机 蜗 壳 内部 流场 两相 流动机 理 ， 对蜗 壳 内 部 泥 沙磨 损 进行 了预 测和 分析 ， 出的模 拟 结果 与 实际 电站 的 资料 基 本 吻合 ， 明利 用 Ｃ Ｄ模 拟 得 说 Ｆ
ｔ ｒ ｅ ｄ ｍｅ ｓ ｎ ｘ ｄ ｅ ｅ ｎ ｙ ｅ ｕ ｓ ｕ ｔ ｒ ｄ ｇ ｌ ｓ ｉ ｈ ａ ｔ ｓ ｎ ｓ ａ ｅ ｗ ｒ ｄ ｐ ｅ ． Ｗ ｈ ｎ ｈ ｅ — ｉ ｎ ｉ ａ ｍｉｅ ｌｍｅ ｔ ｔｐ ｎ ｔ ｃｕ ｅ ｒ ｎ ｔ ｅ Ｃ ｒ ｉ ｐ ｃ ｅ ｅ ａ ｏ ｔ ｄ ｏｌ ｒ ‘ ｄ ｅ ａ ｅ
ｐ ｒｃ ｓ ｔｅｋ一 一 ｐｍ ｄｌ ａ ｓｄ Ｔ ｅ ｖｍｅｔ ｈｒｃ ｒ ｔ ｓ ｆ ａ ｄｗ ｔ ｏｐ ａｅ ｏ ｉ ａ ｉｌ ， ４ ｏ ｅ ｗ ｓ ｅ ． ｈ ｅ ｎ ａａｔｉ ｉ ｎ —ａｅ ｔ —ｈ ｓ ｗｉ ｄ— ｔｅ ｈ ｕ ｍｏ ｃ ｅ ｓｃ ｏ ｓ ｒｗ ｌ ｆ ｎ
进行蜗壳 内部泥沙磨损性能预测及优化设计是可行的。 关键词 ： 水轮机 ； 蜗壳；固液两相流动 ； Ｆ Ｃ Ｄ模拟
离心泵叶轮与蜗壳设计几何参数的优化研究
离心泵叶轮与蜗壳设计几何参数的优化研究离心泵是一种常用的流体机械设备，广泛应用于工业生产和民用领域。
其工作原理是通过离心力将液体推向出口，实现流体输送的目的。
离心泵的性能直接受到叶轮和蜗壳的设计参数的影响，因此对这些几何参数进行优化研究，可以改善离心泵的工作效率和节能性能。
叶轮是离心泵的核心部件，其结构形式多样，包括正向叶轮、背靠背叶轮和双吸入流通道叶轮等。
在进行叶轮设计时，需要考虑叶轮的轴长、轴功率、进口直径和出口直径等参数。
叶轮的直径越大，对应的扬程和流量也会增加，但是叶轮过大会导致泵的体积增大，造成不必要的浪费。
轴功率则与流量和工作压力有关，合理控制轴功率可以提高泵的工作效率。
另外，在叶轮的设计中，还需要考虑叶片的形状、数量和间隙等因素。
叶片的形状通常遵循空气动力学原理，采用弯曲或弯折形式，以减小流体在泵内的速度和压力变化，并提高泵的稳定性。
蜗壳是离心泵的另一个重要部件，其作用是引导进入泵的液体流向叶轮，并将离心泵的压力能转化为流体动能。
蜗壳的几何参数包括进口直径、出口直径、蜗舌角度和蜗舌长度等。
进口直径和出口直径是决定流量和扬程的关键参数，通常根据泵的设计工况和流体性质来确定。
蜗壳的设计还需要考虑蜗舌角度和蜗舌长度，这两个参数对泵的效率和稳定性影响较大。
蜗舌角度越小，流体在蜗壳内的速度变化越小，从而减小能量损失；而蜗舌长度越长，流体在蜗壳内的速度变化越平缓，减少压力波动和振动。
离心泵叶轮与蜗壳的几何参数优化研究的目标是找到一组最佳参数组合，使得离心泵在给定的工况下能够实现最大的效率和能量转换。
该研究可以通过理论计算、数值模拟和实验测试等方法进行。
对于叶轮的优化研究，可以通过设计不同形状和数量的叶片，采用数值模拟方法进行性能评估，并通过实际测试验证。
对于蜗壳的优化研究，可以通过调整进出口直径和蜗舌角度等参数，采用CFD模拟方法进行性能预测，并通过试验验证。
在离心泵叶轮与蜗壳设计几何参数的优化研究中，需要考虑的因素很多，如流体性质、工况参数、材料选择等，且不同泵的要求和工况也存在差异。
吸油烟机蜗壳系统的优化设计研究
吸油烟机蜗壳系统的优化设计研究摘要：本文主要阐述了国内吸油烟机风机-蜗壳系统技术改进研究进展，包括各结构的优化方案，以及各结构的降噪技术研究，对于工程设计具有极为重要的指导意义。
为进一步完善和提高吸油烟机性能，对风机-蜗壳系统技术改进的发展提出了展望。
关键词：吸油烟机、离心风机、蜗壳、降噪前言为了满足消费者的高品质生活需求，攻克吸烟效果和噪音无法兼顾的难题，本文对我国油烟机风机-蜗壳系统的技术研究进展进行阐述。
1.吸油烟机风机-蜗壳性能研究现状蜗壳的几何结构对风机性能的影响是复杂的[8-16]。
王树立研究了蜗壳宽度对离心风机噪声的影响，计算得到蜗壳宽度关于噪声的函数关系式，并求出极值最小的蜗壳宽度[17]。
祁大同采用气动噪声源数值分析方法，分析了蜗壳宽度对非定常流场的离心风机噪声的影响。
计算表明：当风机变工况运行时，增大蜗壳宽度，主要的偶极子声源强度逐渐降低，基频噪声也有降低，而涡流噪声却增大。
当风机在中流量或大流量范围内运行时，气动性能提高，且其噪声特性有所改善[18]。
蜗壳和叶轮的匹配情况对流体机械的整体性能产生重要影响。
当风机蜗壳与叶轮的匹配欠合理时，叶片吸力面上出现明显的气流分离现象，前盘区域也存在强烈的漩涡，蜗舌部分存在的紊流现象也尤其明显[19]。
1.蜗壳系统技术改进2.1蜗壳优化设计传统的蜗壳在设计过程中，忽略了蜗壳的形状和大小，导致风量、风压不能满足生产所需，因此有必要对离心风机的蜗壳设计进行优化。
11目前选取蜗壳宽度B 主要依靠经验公式以及经验数据。
一般风机的蜗壳宽度B 与叶轮出口宽度b 的比值B/b 在2-4之间，而多叶离心式风机在1.2-1.6之间，在此经验范围之内，其他参数不变的情况下，更改B/b 值，对于多叶离心式风机的效率和噪声影响最小。
离心风机蜗壳设计的优化方案还有，通过改变螺旋角优化蜗壳型线数值，然后采用二次回归正交实验的方法对其进行优化，从而降低噪声。
另外，通过改变蜗壳形状和大小，减小风机使用过程中的阻力，提高蜗壳制作质量，延长其使用寿命。
CFD数值模拟水轮机蜗壳三维设计
模块 中， 利用多截面 （ 或桥接 、 扫掠等 ） 等功能 ， 搭接断面 ， 并在相
邻断面之间的出水边处 ， 以样条 曲线作为引导线 ， 可 以提高壳节 的光滑质量 。构建 的蜗壳流道三维模 型， 如图 １ 所示 。
大 的扭曲度。所 以， 如何保证流道的光滑性 ， 设计 出合理 的产品 ， 是一个值得探索的问题 。鉴此 ， 以某 ８ ＭＷ 的混流式水轮机金属 蜗壳为例 ， 构建了金属蜗壳的流场三维模 型， 并进行数值模拟 ， 验
第１ Ｏ期 ２ ０ １ ３年 １ ０月
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｌ ７
Ｃ Ｆ Ｄ数值模 拟水轮机蜗 壳三维设 计
王 旭， 周琰 杰
６ １ １ ７ ３ １ ） （ 电子科技大学 成都学院 电子信息工程系 ， 四川 成都 摘
ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ， Ｓ ｉ ｃ ｈ ｕ ａ ｎ Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ ６ １ １ ７ ３ １ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｉ ｔ ｄ ｓ ｉ ｃ ｓｓ ａ ｅ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍ ｅ ａ ｎ ｉ ｎ ｇ ｏ ｆｓ ｐ ｉ ｒ ａ ｌ ｃ ａ ｓ ｉ ｎ ｇ ｓ ｍ ｏ ｏ ｔ ｈ ｎ ｅ ｓ ｓ ｆ ｏ ｒ ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ． Ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｃ ｌ ｕ ｄ ｅ ｓ ： ｉｒ ｆ ｓ ｔ ． ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ
Ｋｅ ｙ Ｗｏ ｒ ｄ ｓ ： Ｓ ｐ ｉ ｒ ａ ｌ Ｃａ ｓ ｉ ｎ ｇ ；Ｓ ｍｏ ｏ ｔ ｈ ｎ ｅ ｓ ｓ ； ＣＦ Ｄ
风管机的风叶和蜗壳优化
降低噪音
合理设计蜗壳的形状和结 构，降低风管机运行时的 噪音。
增强结构强度
确保蜗壳具有足够的结构 强度，以承受高速气流的 冲击。
优化蜗壳设计的策略
采用先进的流线型设计
通过采用先进的流线型设计，减少气流在蜗壳内的涡流和扰动。
增加蜗壳扩压段的长度
增加蜗壳扩压段的长度，以减小出口气流的流动损失。
优化蜗壳的截面形状
风管机的风叶和蜗壳是影响其性能的重要部 件。
优化后的风管机在效率和压力方面均有所提 升，且具有较低的噪音。
研究不足与展望
虽然本文对风管机的风叶和蜗 壳进行了优化设计研究，但仍 存在一些不足之处。
实验测试数据较少，未能全面 验证优化设计的有效性。
在未来的研究中，需要进一步 拓展实验测试数据，以更准确 地评估优化设计的效果。
风管机的风叶和蜗壳优化
2023-11-05
目 录
• 风管机的风叶和蜗壳优化概述 • 风叶优化 • 蜗壳优化 • 风管机的性能测试与评估 • 优化方案实施及效果评估 • 结论与展望
01
风管机的风叶和蜗壳优化 概述
风管机的基本原理
• 风管机是一种利用空气动力学原理，通过风叶和蜗壳等结构 实现空气的吸入和排出，以达到通风、制冷或制热等目的的 设备。风管机的基本原理是利用风扇转动产生的风压，将室 内空气吸入，然后通过蜗壳的导向作用，将风向改变并送入 排风口，排出室外。
评估风管机的外观美观度、结构强度及安装 便利性。
测试与评估案例分析
案例一
某型号风管机在风洞实验中发 现进口风速不均，导致性能下 降，通过优化蜗壳设计，提高 了风速均匀性，提高了性能。
案例二
某型号风管机在计算机模拟中发 现内部流场紊乱，通过优化风叶 设计，改善了流场状态，提高了 性能。
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一个完整的优化水力设计的过程主要包括四部分内容 :初步水力设计 、流场分析 、性能预测 、优化设计 ,其中 关键在于流场分析以及最后一步的优化设计 。用实验方法研究蜗壳内部流场 、筛选一个比较合理的设计通常不 仅要花费大量的人力 、物力和财力 ,而且实验周期较长 。因此 ,用数值方法研究蜗壳内部流场已成为改进和优化 蜗壳设计的一个重要手段 。
1 前言
蜗壳是水轮机的一个重要过流部件 ,蜗壳的设计在整个水轮机的设计中有着重要的地位 ,其设计的好坏直接 影响水轮机的性能指标 。蜗壳的传统设计方法主要有两种 :一是等速度矩法 ,二是等周向平均速度法 。前者设计 得到的蜗壳出流均匀 ,且呈轴对称分布 ,但不足之处在于蜗壳尾部过流面积过小 ,液流摩擦损失较大 ,且易形成二 次流动 ;后者正好相反 ,蜗壳尾部断面较宽 ,水力损失减小 ,但出流角沿周向分布不均匀 ,导水机构环量沿周向分 布不均匀 ,这样固定导叶的翼型将不同 。传统的设计方法很难使水轮机的性能有较大的突破 ,因此 ,优化设计成 为从事水轮机设计人员最感兴趣的课题之一 。
9ρ< 9t
+
9 9 xi
ρui < -
Γ 9< 9 xi
= S<
采用有限容积法对上述控制方程进行离散 。
214 边界条件
本文的算例为一个轴流式水轮机的混凝土蜗壳 ,模型
机组为单支墩 ,在实际应用中由于进口流道过宽 ,需设置两
个支墩 ,因此分别对两种情况进行了计算 。图 3 为单支墩
及双支墩的位置及形状 。计算工况为额定工况 ,计算水头
第 23 卷 第 6 期 2004 年 12 月
水 力 发 电 学 报 JOURNAL OF HYDROELECTRIC ENGINEERING
Vol. 23 No. 6 Dec. , 2004
不完全蜗壳的 CFD 分析及优化设计
郑小波 ,罗兴 ,廖伟丽 ,郭鹏程
(西安理工大学水利水电学院 ,西安 710048)
表 2 优化前后流量分配 Table. 2 Discharge distribution before
and after optimization ( %)
相对包角 优化前 优化后
蜗型段
57. 5
42. 0
46. 8
非蜗型段 42. 5
58. 0
53. 2
图 5 优化后的支墩形状及位置
Fig. 5 Location and shape of the optimized piers
ZHENG Xiaobo , LUO Xingqi , LIAO Weili , GUO Pengcheng ( Xi’an University of Technology , Xi’an 710048)
Abstract : The spiral case is an important component of the water turbine. Study of three2dimensional flow through the spiral case is of great benefit to improve the performance of the turbine. With the rapid development of computational method and computer ,the numerical analysis of flow field within the spiral case is a main tool to optimize the spiral case. Based on the Reynolds2averaged N2S equations and the non2structural grid ,CFD analysis of three2dimensional flow through a semi2spiral case is presented in the paper. The effect of the piers on the distribution of velocity and pressure in the spiral case ,outlet2angle and efficiency of the spiral case is studied. According to the result of flow analysis. optimum design for semi2spiral case is carried out . Key words : hydraulic turbine ;semi2spiral case ;CFD analysis ;optimum design
相对包角 单支墩 双支墩
进口流道的过流面积 ,造成流速的增加 ,引起水力摩擦损失的
蜗型段
5715
4819
42. 0
增大 ,效率下降 。
非蜗型段 42. 5
51. 1
58. 0
4 优化设计
根据以上比较结果 ,将单支墩改成双支墩后 ,蜗壳的出流 角 、周向流量分布以及效率等性能都有所下降 。因此 ,本文对支墩的形状及头部位置进行了优化 ,并对优化后的 蜗壳进行了 CFD 分析 。根据双支墩蜗壳的内部流动特点 ,将左侧支墩头部后移 ,头部形状采用三段圆弧 ,向蜗形 进口断面偏移 ;右侧支墩的头部也偏向蜗形进口断面 1 优化后的支墩形状见图 5 。
图 4 出流角分布图
Fig. 4 Outlet2angle distribution
(3) 蜗壳效率
表 1 流量分配
根据计算结果 ,双支墩方案的效率为 98137 % ,单支墩方
Table. 1 Discharge distribution ( %)
案的效率为 98163 % ,这主要是因为支墩数量的增加 ,减小了
图 8～11 分别为单支墩情况和优化后的双支墩情况下 ,蜗壳内部的流线和压力分布 。
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12
水 力 发 电 学 报
由表 2 ,优化后 ,由于支墩的头部形状和位置发生了变化 ,将一部分流量向蜗形段进口方向排挤 ,导致在圆周
方向的流量分布发生了变化 ,更接近于相对包角 ,趋于均匀 。
图 6 显示了单支墩情况和优化前后的双支墩情况下流量在蜗形段的变化情况 ,可以看出 ,优化后蜗形段的流
量分布有了明显的改善 。
从图 7 优化前后蜗壳出流角分布图可以看出 ,优化后在蜗形段 ,蜗壳出流角分布很均匀 ,且非蜗形段蜗壳出 流角变化较为平稳 , 这样就能够保证固定导叶进口角度的均匀变化 。此外 , 对支墩 优 化 后 , 蜗 壳 的 效 率 为 98145 % ,比优化前略有提高 。
水轮机进出口流道的计算区域是非常复杂的 ,本文在对蜗壳的流动分析中采用非结构化网格 。在非结构化 网格中 ,网格的空间分布比较自由 ,网格点之间的连接没有方向性 ,处理不规则计算区域时 ,通过局部加密网格及 在边界上的特殊处理来适应不规则区域 。例如在蜗壳的出流处 、鼻端等区域进行局部网格加密 。网格节点数为
随着计算技术和计算机的飞速发展 ,数值模拟技术和 CFD 优化技术已经全面应用于流体机械领域 ,尤其是 在水轮机进出口流道的流动分析方面得到了广泛的应用[1 - 5] 。
本文在分析现有蜗壳内部流动及设计方法研究成果的基础上 ,对不完全蜗壳进行了三维 CFD 流动分析 ,对 支墩形状及头部位置进行了优化设计 ,并根据流动分析结果研究了支墩形状对蜗壳内部的速度 、压力分布 、蜗壳
135 000 。图 1 为单支墩蜗壳的计算实体 ,图 2 为双支墩计算网格 。
图 1 单支墩蜗壳计算实体 Fig. 1 Spiral case with single pier
图 2 双支墩蜗壳计算网格 Fig. 2 Spiral case with two piers
213 离散方程
将流体控制方程写成统一的简明张量形式 :
9ρ 9t
+
Δ
·(ρU) = 0
9ρU 9t
+
Δ
(ρU
Δ
ΔΔ Δ
U) - ·(μeff U) = P + ·(μeff U) T + B
Δ
式中 μ, eff 为有效粘性系数 μ, eff =μ+μt μ, t 为紊流粘性系数 μ, t = cμρεk2
对于壁面附近的区域 ,采用壁面函数法处理边界条件 。 212 计算网格
2004 年
图 6 沿蜗形段流量分布规律 Fig. 6 Discharge distribution in scroll section
图 7 优化前后蜗壳出流角分布图 Fig. 7 Outlet2angle distribution before and after optimization
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第6期
郑小波等 :不完全蜗壳的 CFD 分析及优化设计
11
(2) 蜗壳出口的流量分布情况 为了保证导水机构的周向入流均匀性 ,蜗壳的出口流量分配应尽量均匀 。从表 1 中看 ,与双支墩情况相比 , 单支墩情况下蜗形段和非蜗形段的流量更接近于相对包角 ,流量分配要均匀一些 ;主要是因为双支墩情况下 ,左 侧支墩限制了部分流量的运动方向 。