基于光滑粒子流体动力学(SPH)与流体体积法(VOF)的佩尔顿水轮机内流场对比分析与实验验证

为解决传统流体体积法(VOF)在佩尔顿水轮机复杂流场模拟中的精度局限问题，研究人员创新性地引入光滑粒子流体动力学(SPH)方法，通过LS-DYNA与Fluent软件对比分析，结合实验验证，揭示了射流-转轮相互作用机制，提出基于能量转换效率的区域优化策略。研究表明SPH方法在捕捉射流破碎、扩散等非线性现象方面显著优于VOF方法，为高水头水轮机设计提供了新思路。

　　

在全球能源转型背景下，水力发电作为清洁可再生能源的重要组成，其核心设备佩尔顿水轮机(Pelton turbine)的性能优化备受关注。这种依靠高速射流冲击转轮叶片实现能量转换的冲击式水轮机，虽在理想工况下效率可达90%以上，但其内部流动却暗藏玄机——从喷嘴喷出的水柱与旋转的转轮叶片(又称"斗叶"，buckets)剧烈碰撞时，会产生射流分裂、液滴飞溅等复杂现象，犹如一场微观尺度的"水分子芭蕾"。传统采用流体体积法(Volume of Fluid, VOF)的数值模拟就像用网格捕捉流动的"照片"，当遇到剧烈变形界面时，计算网格会像被扯破的渔网般失真。这导致工程界长期面临一个棘手难题：如何精确模拟这种包含自由表面、大变形和瞬态相互作用的复杂流动？

针对这一挑战，浙江理工大学的研究团队在《Renewable Energy》发表的研究中，开创性地将天体物理学领域的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法引入水轮机研究。这种无网格方法将流体离散为相互作用的"粒子群"，如同用无数智能水滴自主演绎流动过程，特别适合模拟佩尔顿水轮机中射流破碎、液膜飞散等非线性现象。研究团队通过LS-DYNA软件实施SPH模拟，与ANSYS Fluent进行的传统VOF模拟形成对比，并结合封闭式实验台架的实测数据，首次系统揭示了两种方法在流场细节捕捉与能量转换效率预测方面的差异。

关键技术方法包括：1) 基于50个斗叶的佩尔顿水轮机几何建模(喷嘴直径7.3mm，转轮节圆直径290mm)；2) 采用VOF方法通过Fluent求解Navier-Stokes方程；3) 应用SPH方法通过LS-DYNA模拟粒子运动；4) 9种流量工况下的水力性能实验测试；5) 能量转换效率的定量对比分析(η=P_out/P_in×100%)。

计算模型
研究对比了VOF与SPH的基本原理：VOF通过网格单元内流体体积分数追踪界面，而SPH通过核函数近似求解粒子相互作用。前者需处理网格畸变问题，后者天然适应大变形模拟。

几何模型
实验采用闭式结构的佩尔顿水轮机，高速射流在分水刃处分为两股，形成独特的双涡流结构。精确的几何参数为模拟提供了基准验证条件。

水轮机水力性能
效率测试数据显示，SPH模拟结果与实验测量吻合度更高，尤其在射流根部与顶部区域。VOF方法因线性化假设和动态效应低估，在射流-斗叶碰撞等瞬态过程呈现明显偏差。

结论
研究发现：1) SPH能精确再现射流破碎、液膜扩散等VOF难以捕捉的流动细节；2) 射流中部区域能量转换效率最高(较根部/顶部高15%-20%)；3) 基于SPH流场分析提出的斗叶型线优化方案，可使整机效率提升约2.3%。这项研究不仅为佩尔顿水轮机设计提供了新方法论，更开创了SPH方法在流体机械领域的工程应用范式，对可再生能源装备的智能优化具有重要指导意义。