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
１ 引言
对于混流式水轮机 的引水 部件一 蜗壳而言 ，过 流表 面越光 滑， 机组的水力性能（ 效率、 气蚀 、 稳定性等 ） 越好［ １ ］ 。然而 ， 蜗壳的 流道形状 是由非规 则的几何 曲面构成 ， 各断面之间 ， 存在 着 比较
要： 阐述 了混流式水轮机蜗 壳内部 流道的光滑性对于整机稳定运行 的重要影响。在 水轮机金属蜗壳的设计过程 中，
以模型试验数据为依据 ， 利用 Ｃ Ａ Ｔ Ｉ Ａ软件 的创成式外形设计模块 ， 构建 了光滑的蜗壳三维流场模型。 与此 同时， 采用精度 较 高的 Ｒ Ｎ Ｇ （ ｒ ｅ ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ ） 模型作 为湍流计算模 型 ， 选用标 准壁 面函数处理 近壁 区， 并选择六面体 非结构化 网络 对整个流场进行 网格 划分 。 最后 ， 通过 Ｃ Ｆ Ｄ数值模拟分析结果表明， 该蜗 壳的效率较 高， 水力Ｉ ｝ 生能良好 ， 符合设计要 求。 为 产品的生产 、 加 工奠定 了理论基础 。
证 了产品设计 的合理性 ， 为后续 的生产 、 运行提供 了理论依据 。
２蜗壳三维模 型的构建
水轮机金属蜗壳是 由各相邻 断面之间的壳节焊接而成 。因 此， 模型的绘 制分 为 ２个基本步骤 ： （ １ ） 以电站的水头 日、 流量 Ｑ 、
图 １蜗壳流道模 型
Ｆｉ ｇ ． １ Ｔｈ ｅ ３ Ｄ Ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ Ｆｌ ｏ ｗ
ｉ ｎ ｄ ｉ ｃ ｔ ａ ｅ ｓ ｔ ｈ ｔ ａ ｔ ｈ ｅ ｓ ｐ ｉ ｒ ａ ｌ ｃ ｓｉ ａ ｎ ｇｈ ｓ ａ 泐 ｐ ｅ 矿 。 ｒ ｍ ｏ ｌ ｔ ｃ ｅ ． Ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｌ ｏ ｇ ｃ ｉ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｏ ｆ ｓ ｆ ｏ ｒ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｎｄｐ ａ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓ ｉ ｎ ｇ ．
ｔ ｅ ｓ ｔ ｄ ａ ｔ ａ ， ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ｔ ｈ ｅ ｌ ｆ ｏ ｗｆ ｉｅ ｌ ｄ ｆｓ ｏ ｐ ｉ ｒ ｌ ａ ｃ ｓｉ ａ ｎ ｇ ； ｓ ｅ ｃ ｏ ｎ ｄ ， ｓｅ ａ ￥ｔ ｈ ｅ Ｒ Ｎ Ｇ（ ｒ ｅ ｎ ｏ ｒ ｍａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｇ ｒ ｏ ｕ ｐ ）ｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ｓ ａ ｔ ｕ ｒ ｂ ｕ ｌ ｅ ｃｅ ｎ ｏｄ ｍ ｅ ｌ ； ｔ ｈ ｅ ｔ ｈ ｉ ｒ ｄ ，ｃ ｈ ｏ ｏ ｓ ｅ ｓ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｎｄ ａ ａ ｒ ｄ ｗ ａ ｌ ｌ ｆ ｕ ｃｔ ｎ ｉ ｏ ｎ ｓ ．Ｔ ｈｅ ｍ ｏ ｅｌ ｄ ｇ ｒ ｉ ｄ ｉ ｓ ｈ ｅ ｘ ａ ｈ ｅ ｄ ｒ ａ ｌ ｕ ｓｔ ｎ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ．Ｔ ｈｅ Ｃ Ｆ Ｄ ｓ ｉ ｍ ｕ ｌ ｔｉ ａ ｏ ｎ
关 键词 ： 蜗 壳； 光滑 ； ＣＦ Ｄ
中图分类号 ： Ｔ Ｈ１ ６
文献标 ３ ９ ９ ７ （ ２ ０ １ ３ ） １ ０ — ０ ０ １ ７ — ０ ２
Ｔｈ ｅ ３ Ｄ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｆ ｏ ｒ Ｔｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ Ｓｐ ｉ ｒ ａ ｌ Ｃａ ｓ ｉ ｎ ｇ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｎｕ ｍｅ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｓｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ＣＦＤ
ＷＡ Ｎ Ｇ Ｘ ｕ ， Ｚ ＨＯ Ｕ Ｙ ａ ｎ － ｊ ｉ ｅ
（ Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｇ ｅ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ Ｉ ｎ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ， Ｃ ｈ ｅ ｎ ｇ ｄ ｕ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ