[摘 要]水力机械耦合是最为复杂的动力学问题之一，对于水轮机来说，其特别的非线性结构，在流固耦合分析上存在很大的困难，在对流固耦合问题进行研究的历程中，由于受到当时计算能力的约束，都采取了不同程度的假定，以期在解释物理本质和计算量之间找到平衡。本文以HLA542-LJ-130水轮机为例，应用ADINA软件，对水轮机整体模型进行了单向耦合稳态计算，得到了水轮机转轮叶片稳态状况下的压力、流速、分布情况。
　　[关键词]单流固耦合 水轮机叶片 压力 流速
　　中图分类号：G123 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）07-0319-02
　　一、HLA542-LJ-130水轮机基本设计参数
　　本文研究所选水轮机型号为HLA542-LJ-130，其设计参数如表一所示：
　　二、水轮机转轮叶片模型的建立
　　图一所示为长叶片的轴面投影图和翼型图，图二所示为短叶片的轴面投影图和翼型图，图中显示了长短叶片的某一截面形状。
　　在UG建模环境下，依次把各个截面曲线的空间坐标组成的数据文件（DAT格式的文件）导入，在UG中样条曲线默认为NURBS曲线，运用UG软件中三次样条拟合的方式生成空间截面线，进而生成叶片的两个面。针对利用UG软件直接通过得到的工作面和背面曲线进行叶片的三维造型，会不正常的凹凸现象。因此在不改变原数据的基础上，通过轴面流线法对叶片重新建模。首先在原截面图上找出轴线，近而，把在CAD中确定的上冠流线和下环流线以.DXF格式导入UG中，从而确定一个轴面，以轴线为旋转轴，旋转轴面，找出叶片的水平截面线和轴面的交点，打开B样条曲线命令连接交点生成轴面流线，再用利用UG中的網格曲面命令将轴面流线生成NURBS型曲面，生成的曲面缝合，生成实体如图三所示。由结果可知改进后的叶片比较光滑，能够满足水力设计的要求。
　　将改进后的长短叶片绕轴线旋转可以得到30个叶片，再将上冠流线和下环流线绕轴线回转，可以得到转轮的上冠流面和下环流面，最后将三者做求和命令，即可得到混流式转轮实体，如图四。
　　三、转轮叶片单向耦合稳态分析
　　由于水力机械具有扭曲复杂结构，网格划分需要局部处理，这样就会带来计算负担，为了简化了模型，选取了单向耦合稳态分析，水轮机工作条件为湍流最优工况，研究长、短叶片的压力、速度分布云图如图五—图八所示。
　　四、结论
　　通过水轮机转轮内部流场的单向耦合分析研究，我们可以得出以下结论：
　　1、图五所示为长叶片压力分布云图，从云图可以看到长叶片工作面和压力面压力分布从进水边到出水边呈均匀降低变化，压力等值线与进水边呈平行过渡，叶片压力面基本与流线方向垂直分布，在叶片吸力面压力等值线除距出水边近下环区域外也接近压力面的分布特征。整个叶片面上对应各点的工作面压力均高于吸力面压力，形成了较好的工作面吸力面压力差分布。负压的影响就是产生回流，回流容易形成一个涡流区，将大大降低水轮机的效率，并引起振动。由于在转轮叶片出水口靠近上冠的位置出现小块负压区，说明转轮叶片产生回流的区域比较小，不易产生涡流，压力分布情况良好。
　　2、图六所示为长叶片速度分布，在转轮进水边的流速最大，流速从上冠到下环有层次的均匀过渡分布，从设计角度分析它具有最好的工作状态，很好将水能转变成机械能，有效的达到最高效率。
　　3、图七、图八为短叶片的压力、速度、分布，从分布上与长叶片具有相似的情况。
　　4、单向耦合稳态计算，采用了简化了的模型，有效地缩短了计算周期，从云图中可以看到叶片工作面压力分布比较均匀，仅仅在靠近上冠出水边有小块负压，但对整体影响不大，可以有效地避免了涡带的产生；流速分布也很均匀，从转轮进口到转轮出口速度呈阶梯状递减，说明了水能利用率高，体现了叶片的高效、其长短叶片设计的优点。
　　参考文献
　　[1].魏永涛，刘力菱，Philippe H.Geubelle.流-固耦合问题的ALE有限元分析[J].核动力工程，2009，30（5）：79-83.
　　[2].陈香林.混流式水轮机叶片流固耦合动力特性研究[D].昆明：昆明理工大学，2004.