水轮机数值模拟：两相流+被动运动

水轮机的雏形——水车，早在公元前100年（汉武帝时期）就出现在了中国，千百年来，人们使用水车进行汲水灌溉和驱动粮食加工机械（如磨坊），直到现在，在国内一些地区，仍可看到水车的身影，但更多是起到观赏作用，让大家认识古人在利用水利资源方面的智慧。

水斗式水轮机

轴流式水轮机

其中，水斗式水轮机的主要特点是：水流以射流的方式沿转动水斗的切线方向冲击叶片，由于该种水轮机是利用水流的动能做功，因此一般应用在小水流、大水头的水利条件下。本文选取此类型水轮机进行仿真计算。

水轮机的CFD计算，属于典型的气液两相流问题，通常需要应用的计算模型有湍流模型、多相流模型、空化模型、运动模型等。在多相流模型模型中，为了刻画水流冲击叶片时的两相界面，通常使用VOF方法和LEVEL SET方法实现界面捕捉，关于这两种方法的特点，可查询公众号往期文章。此外，水轮机在水流作用下的运动属于被动运动，同时涉及六自由度问题。

模 型 设 置

采用实云流体仿真软件对水轮机进行模拟分析，如图所示为计算模型的几何尺寸，其中，水流从上方沿管道进行射流，在初始速度和重力的作用下冲击水轮机叶片，驱动水轮机转动，除管道设置为壁面、入口为速度入口外，其余边界皆为压力出口。

计 算 设 置

采用实云流体仿真软件对水轮机进行仿真计算，得到相分布如下，其中红色部分为液相，蓝色部分为气相，水轮机在接触到水后开始转动，开始转动速度较慢，随后转速逐渐加快并基本保持稳定。

相分布图（实际速度）

相分布图（放慢视角）

速度分布结果如下所示：

速度分布图（放慢视角）