1　模型介绍

1.1　物理模型

以某水电站模型竖井贯流式水轮机为对象，转轮直径D=977mm，导叶数为15个，叶片数为3个。计算区域包括进水流道、导叶区、转轮区、出水流道四大部分，如图1所示。选择额定工况设计水头为15m，转轮转速n=510r/min。

1.2　数值模拟

本文应用计算流体动力学软件ANSYS Fluent对不同情况下流动情况进行数值模拟，计算域包括进口流道、导叶区、转轮区和出水流道。计算网格采用适应性较强的非结构混合网格划分，网格单元数共50万～100万个。为提高计算精度，对转轮和导叶区进行了网格加密。

计算基于不可压缩雷诺时均Navier-Stokes方程，非定常湍流计算采用Second Order Backward Euler方法，设置4个周期左右的计算时间，共0.471s，每步计算步长为0.00098s，每次迭代控制在10步内，压力项采用二阶中心差分格式。

根据数据，设置进口边界条件为压力进口，出口边界条件为自由流，在进水流道和导叶、导叶和转轮、转轮和尾水管间设置交界面，其中导叶和转轮、转轮和尾水管之间设置“Frozen Rotor”，计算中先进行三维定常湍流计算，定常湍流计算采用多参考系模型，将得到的定常流场结果作为非定常湍流计算的初始流场。