3　通流部件内部流动数值模拟

在最优工况和额定工况条件下，针对JF3011改型前后的进出口流道，进行了全流道内部流场三维CFD数值模拟，研究分析了JF3011水力模型内部流动状态。

3.1　计算域、网格划分及边界条件设置

改型前后全流道对比如图1所示。

网格划分是对计算区域进行离散，对计算精度有着非常重要的影响[13]。离散所使用的网格一般有两种类型：一种是节点顺序排列规则的结构化网格；另一种是节点顺序排列相对无序的非结构化网格。结构化网格适应性较差，而非结构化网格较为灵活，网格划分相对容易。由于水轮机流道计算区域十分复杂，本文采用了非结构化网格。改型前后计算区域网格数相同，网格数量见表2，划分网格后的计算域如图2所示。

进口边界条件：在计算域的进口（蜗壳进口），质量流量、紊动能和耗散率是均匀的，流动方向垂直于进口断面。

出口边界条件：在计算域的出口，静压是均匀的，出口位置的流动变量沿流线方向的变化梯度为零。

动静分界面：导叶与转轮之间、转轮与尾水管之间的流动信息在动静分界面上经周向平均后，相互传递。

壁面边界条件：设置为无滑移边界条件。

3.2　蜗壳及双列叶栅的内部流场情况

在最优工况、额定工况下，改型后蜗壳及双列叶栅的内部流场情况如图3、图4所示，计算结果见表3。

从最优工况和额定工况的流场来看，改型后的蜗壳内，压力分布从蜗壳进口到蜗壳出口沿径向均匀降低，速度矢量均匀增大，过渡平稳，没有明显的突变。损失主要集中在双列叶栅中，而蜗壳本身的占比很小。改型前后进口部件计算损失对比见表3。

水轮机导水机构采用23个固定导叶和24个负曲率活动导叶。其中，23个固定导叶分成3组，分别采取不同的安放角，以适应蜗壳沿周向变化的出流角，为导叶和转轮提供来流均匀的环量分布。在最优工况下，各导叶区间内压力分布从固定导叶进口到活动导叶出口均匀降低，速度矢量随之均匀增大，流线顺畅，导叶进出口基本没有明显脱流、旋涡发生，进口冲角接近零，为无撞击进口，速度和压力分布在圆周方向具有良好的对称性，说明导叶进口水流角与导叶安放角一致。在额定工况下，导叶区间水流情况与最优工况接近，导叶进口冲角接近零，进口无撞击。

由表3可见，改型后的进口部件较改型前在最优工况下损失降低了0.2个百分点、在额定工况下损失降低了0.2个百分点，改型后的蜗壳与双列叶栅的匹配更趋合理，水力性能总体上得到了提高。以上模拟结果表明，蜗壳的优化设计是成功的。

3.3　转轮内部流场情况

蜗壳与尾水管改型后，在最优工况、额定工况下，转轮内部流场如图5和图6所示。

水轮机转轮在最优工况时，叶片压力面和吸力面的压力分布从叶片进水边到出水边呈阶梯状均匀降低，形成较好的正背面压力差分布。叶片头部入流情况良好，为无撞击进口。在叶片压力面靠近上冠处有轻微横向流动，在叶片吸力面，没有脱流、回流、横向流动等二次流动现象，转轮内总体流动情况良好。

在额定工况时，从叶片进水边到出水边正背面压力分布仍基本保持阶梯状均匀降低，形成较好的正背面压力差分布。叶片头部靠下环处入流有较小的负冲角，叶片压力面在靠近上冠处有轻微横向流动，在叶片吸力面，没有脱流、回流、横向流动等二次流动现象，叶片间流动流畅，基本上没有出现旋涡，转轮内总体流动情况良好。

从改型前后转轮内部的流动损失计算结果看，两个计算工况基本相当，进出口流道的改变对转轮的性能没有明显影响。

3.4　尾水管内部流场情况

改型后在最优工况和额定工况下，尾水管区域流场计算结果如图7和图8所示。在最优工况下，尾水管进口靠边壁处有轻微的正向流动，整体出流均匀顺畅，压力分布基本对称，直锥段内没有明显的涡带生成。

在额定工况下，尾水管进口处的压力分布基本对称。进口靠边壁处有低速的反向流动，直锥段中心有与转轮旋转方向相反的竖直涡带产生，涡带发展至肘管中部后，在拐弯前消失。

改型前后尾水管计算损失对比见表4。从内部的流动损失计算结果看，最优工况下改型前后水力损失基本持平，额定工况下改型后尾水管的损失增加了0.2个百分点。