Использование программного комплекса CFD для определения гидродинамических характеристик проточных частей гидравлических машин

Abstract

В последние годы был достигнут существенный прогресс в создании методов моделирования и расчета течений жидкости, которые позволяют выполнять расчет со столь высокой достоверностью полученных результатов, необходимый объем эксперимента во многих случаях сводится к минимуму. Все современные пакеты программ решают задачи механики сплошной среды, используя модели, построенные на основе уравнений Навье-Стокса. В основу этих моделей входят три уравнения сохранения: сохранения массы, сохранения импульса и сохранения энергии. Программный комплекс CFD предназначен для моделирования трехмерных течений жидкости и газа в технических и природных объектах, а также визуализации этих течений методами компьютерной графики. Были рассмотрены варианты проведения гидродинамических расчетов в различных типах гидравлических машинах с использованием пакета программ CFD. Процесс решения поставленных гидродинамических задач с помощью программного комплекса CFD включает в себя следующие этапы: создание трехмерной модели рассматриваемого объекта с помощью системы автоматического проектирования; построение расчетной сетки с необходимыми параметрами; выбор математической модели, наиболее точно описывающей рабочий процесс в проточных частях гидромашин; выбор подходящей модели турбулентности; задание граничных условий. Проведены численные исследования пространственного течения жидкости в проточных частях гидравлических машин на примере капсульной гидротурбины, обратимой гидравлической машины в насосном и турбинном режимах работы, радиально-осевой гидротурбины. Представлены результаты расчетов, а именно визуализация потока в виде полей распределения скоростей и давления. Проведен анализ сходимости результатов численного исследования с экспериментальными данными на основе сравнения значений гидравлического коэффициента полезного действия рассматриваемых гидромашин.

Over the last years, significant progress has been made in creating methods for modelling and calculating fluid flows, which allow performing calculations with high reliability of the obtained results; the necessary amount of experiment in many cases is reduced to a minimum. All modern software packages solve the problems of mechanics of continuum medium using models, which are built based on the Navier-Stokes equations. These models are based on three conservation equations: mass conservation, momentum conservation, and energy conservation. The CFD software package is designed to simulate three-dimensional fluid and gas flows in technical and natural objects and visualize these flows using computer graphics methods. The variants of conducting hydrodynamic calculations in different types of hydraulic machines using the CFD software package were considered. The process of solving the hydrodynamic tasks using the CFD software package includes the following steps: creatinga three-dimensional model of the considering object using an automated design system; construction of the calculation grid with the required parameters; selection of the mathematical model that most accurately describes the operating process in the water passage of hydraulic machines; selection of a suitable turbulence model; setting boundary conditions. Numerical studies of the spatial flow of fluid in the water passages of hydraulic machines have been carried out. The water passages of the capsular turbine, the reversible hydraulic machine in pumping and turbine operating modes, and the radial-axial hydraulic turbine were considered. The results of the calculations were presented in the form of the visualization of velocity and pressure distribution fields of the flow. The analysis of the convergence of the results of numerical studies with experimental data were performed based on a comparison of the values of the hydraulic efficiency of the considered hydraulic machines.