基于CFD的尾水管水力优化设计

摘要

对于中低水头的机组来说，水轮机组尾水管的设计在很大程度上决定了整机效率和功率，因为可用的能量有很大比例是以动能的方式离开转轮，这就需要尾水管将这些能量转化成静水头。对于大型机组来说，当考虑机组整个生命周期所生产的能源的预期价值时，机组的功率和效率就等价于大笔资金。同样的，尾水管设计在电站的整个土建成本方面也是一个关键因素，主要表现在电站的开挖和混凝土浇筑方面，这些花费和所生产的能源的价值处于同一数量级，因此，在这两个互相矛盾的要求之间，找到一个最佳平衡是非常必要的。本文给出了一种精心设计的方法来解决这个最优设计问题。首先，将尾水管详细的几何尺寸定义为一组全面的设计参数的函数（在优化过程中大概允许20个设计参数变化），并且将这些参数应用在基于非线性有理B样条的几何建模中，以此来完全定义过流面的几何形状。由于三维粘滞效应对尾水管的性能影响很大，例如边界层与壁面脱离和旋转流动特性，这反过来会制约着可用于转化成压力的可用动能部分，因此每次设计都需要一套完整的三维网格和N．S数值分析，更具挑战性的难点是在发电运行工况下，尾水管的入口速度分布是由转轮控制的，为了确定这些入口条件，必须在每一个运行工况下，使用级交界面对稳态的转轮和初始的尾水管进行一次联合分析，由于评估过程计算的密集性，优化算法的效率是很重要的，因此这里采用最先进的多层次元型辅助进化算法。