水泵水轮机增减负荷过程三维流动特性大涡模拟分析

采用大涡模拟(LES)对水泵水轮机增减负荷过渡过程进行三维非定常数值模拟,捕捉到了不同开度下叶道中多种涡系结构,展示了叶道涡涡量分布,分析了水轮机工况及水泵工况小流量运行区的流动结构变化特性,揭示了水流进口攻角与叶道涡涡系结构关系,对各类叶道涡不同形态进行了研究并提出了马蹄涡识别变量,并对比分析了水轮机工况及水泵工况涡结构变化特性。计算表明水泵水轮机的水力稳定性与机组运行工况改变时的流动结构特性密切相关,在增减负荷过渡过程中,叶道涡结构的尺度及分布范围均随时间发生较大变化,是影响流态发生巨变的主要因素。     

水泵水轮机反水泵工况区压力脉动特性分析

为研究水泵水轮机反水泵区的压力脉动特性,以某抽水蓄能电站模型水泵水轮机为研究对象,基于分离涡湍流方法(detached eddy simulation,DES),对水泵水轮机反水泵工况进行了数值模拟。探讨了全流道三维湍流场特性,并与试验结果相对比,分析了水泵水轮机在反水泵工况区压力脉动特性。结果表明,反水泵工况下,转轮与导叶之间和尾水管内的主频均为0.143倍转频,主频幅值占混频幅值比例分别达到12%和34.6%。通过流场分析,发现尾水管锥管段内的螺旋形涡带结构是导致这种低频脉动的主要原因。同常规运行工况相比,反水泵工况区的不稳定流场会导致压力脉动相对幅值的突增,引起机组剧烈的振动,严重影响机组的安全运行。     

初始运行工况对水泵水轮机飞逸过渡过程水力特性的影响

飞逸过渡过程是抽水蓄能电站可能发生的一类事故工况。此过程中水泵水轮机的转速、流量和压力大幅改变,转轮流态极易恶化,可能引发剧烈压力脉动和转轮受力失衡。水泵水轮机初始运行工况是飞逸过程的重要控制因素之一,但其对此过程中机组水力特性的影响尚不明确。本文用一维管道与三维水泵水轮机耦合的数值模拟研究了某模型抽水蓄能系统中水泵水轮机从两个不同初始运行工况发生飞逸过程时水力特性的差别。结果表明,相对于流动条件较好的额定工况,由流动条件较差的部分负荷工况开始的飞逸过程更容易引起水泵水轮机运行轨迹的剧烈跳动以及流道压力脉动和转轮径向水推力的幅值突增,原因是在此过程中更易形成转轮流动失稳,机理是过渡过程中的瞬时流态保留有相应初始工况的部分流动特征,即瞬时流态的演化存在迟滞效应。因此,在当前不断拓宽抽水蓄能机组运行范围以满足电网容量调节需求的背景下,应充分考虑初始运行工况对可能发生的飞逸过程的影响。     

水泵水轮机四象限工作区流动特性数值分析

抽水蓄能电站工况转换频繁,过渡过程中水泵水轮机可历经全特性4个象限,不稳定的复杂流动演变使过渡过程中事故频发。本文针对某低比转速模型水泵水轮机进行四象限全流道数值计算,得到同一开度下水轮机内部流态的演变规律。结果显示,在水泵区部分负荷工况,导叶区产生旋转失速现象,失速区的个数随流量大小变化;失速涡阻塞流道,使局部压力升高,产生周向传播的低频压力波动。在水泵制动区,当转速较高时,离心力作用使得水流不能均匀进入转轮,在转轮内产生旋转失速现象。在水轮机反"S"区,转轮进口产生的回流漩涡结构随流量在某些工况点的突变,导致沿转轮进口展向的流速分布呈现随流量而突变的现象。入流分布在飞逸点附近的突变使水流对转轮的做功特性发生突然变化,可能是导致空载不稳定的原因。     

水泵水轮机泵工况旋转失速压力脉动特性及转动机理

水泵水轮机在泵工况部分负荷下运行,叶道内易发生旋转失速,可诱发剧烈的低频压力脉动,严重影响水电站的安全稳定运行。本文采用尺度自适应(SST-SAS)湍流模型对某模型水泵水轮机泵工况进行全流道非定常数值模拟,得到不同工况点下旋转失速引起的压力脉动特性及失速涡团的周向转动机理。结果显示,在40%~80%设计流量下运行时,导叶区发生旋转失速,失速涡团的转动频率为叶轮转频的3.3%~8.1%。旋转失速发展强度越剧烈,转动越慢。旋转失速周向转动的机理是:失速与非失速相邻导叶流道内存在较大压力梯度,在其作用下,失速流道内流体从活动导叶与固定导叶之间通道流向非失速流道,加剧非失速流道内流动分离。被阻碍的水流与无叶区主流叠加流向下一流道,并在活动导叶吸力面进口前缘产生局部低压,导致当前非失速活动导叶流道在进口与出口之间的逆压梯度增强,使流体反向流动,流道产生失速。     

水泵水轮机流动可视化研究

利用PIV流场测试技术,对低比速混流式模型水泵水轮机转轮在水轮机工况下进行了可视化研究,结果表明水泵水轮机模型在设计工况下转轮区的流态较好;在非设计工况下,不管正冲角还是负冲角,翼间流场都会有一定的脱流与旋涡存在。尤其在大流量工况下,在叶片正面形成的脱流漩涡,其位置几乎不变,机组运行比较稳定;在小流量工况下,存在着周期性的脱流漩涡,从进口附近逐渐变化到出口附近,机组运行不稳定。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用SAS-SST湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明:在流量为40%～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布,导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动;流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

为研究水泵水轮机在泵工况下的内部流态变化对压力脉动和转轮叶片受力的影响,采用 SAS－SST 湍流模型对某一模型水泵水轮机的多个非设计工况进行非定常数值模拟,分析了水轮机 内部流态对导叶与转轮之间无叶区、尾水管内的压力脉动和转轮叶片径向受力的影响。结果表明: 在流量为 40% ～80%设计流量时,导叶区内产生旋转失速,转失速涡团初生于固定导叶进口,并随着流量的降低向活动导叶进口发展,且覆盖区域逐渐增大。旋转失速使压力和过流沿周向不均匀分布, 导致压力脉动和转轮径向受力波动大幅上升。在40%设计流量时,失速涡团发展最为充分,无叶区 压力脉动和转轮受力波动的低频分量幅值最高。旋转失速产生的低频脉动可向尾水管传播,形成的低 频压力脉动幅值约为无叶区低频脉动幅值的10%。当流量低于 40%设计流量时,导叶区旋转失速消失,复杂的涡结构形成的压力脉动低频成分没有周期性。此外,转轮进口的流动分离使尾水管内产生复杂的回流涡结构,导致尾水管内形成频谱丰富的压力脉动; 流量降低使转轮进口回流涡结构的湍动 能增加,导致尾水管内压力脉动幅值大幅上升。小流量工况下,转轮进口的涡结构演变是转轮径向力波动的主要影响因素。     

低比速水泵水轮机“S”特性区的内部流动

在小型混流式水泵水轮机模型装置上对转轮流道的压力分布进行了实测，并通过流动可视化摄制了翼间流动的图像；由实验与图像处理结果获得了“S”特性区的真实流态，讨论了“S”特性区不稳定流动的原因。     

水泵水轮机S特性区能量损失及流动特性研究

为了调节电网的稳定性,抽水蓄能电站需要频繁启停和变换工况运行,导致水泵水轮机容易进入S特性区,机组振动增加,并网失败。本文以模型水泵水轮机为研究对象,采用熵产理论详细分析了S特性区不同工况下的能量损失规律,明确了熵产率分布与内部流动结构的关系。结果表明：S特性区内近飞逸工况总熵产最大,约为设计工况的5.1倍,脉动熵产占据的比例接近80%,随着流量的减小,转轮熵产占比逐渐降低,活动导叶和尾水管的熵产占比增加。小流量工况转轮进口靠近下环位置首先出现了明显的漩涡,导致了活动导叶出口和转轮进口的高熵产区,随着流量进一步减小,漩涡逐渐向上冠转移,并且切向速度增大,在转轮进口形成挡水环,阻碍水流进入转轮,在无叶区内出现了环状分布的高熵产区。反水泵工况,水流在低压边与逆时针旋转的叶片撞击,导致水流很难进入叶片内部,形成了大尺度的回流涡结构;双列叶栅内充满大量涡结构,导致活动导叶吸力面的熵产率增大,并且向固定导叶传播。     

水泵水轮机全特性曲线对过渡过程轨迹的影响

抽水蓄能电站的过渡过程是影响电站安全稳定运行的重要因素.在电站流道确定后,可逆式机组的全特性曲线成为决定电站过渡过程稳定性的关键.可研阶段定制转轮还未开发,需借用相近比转速电站的转轮全特性曲线用于过渡过程计算.由于对抽水蓄能电站建设不同阶段所用的转轮全特性曲线的对比分析不足,部分抽水蓄能电站投产后出现过渡过程运行稳定性...     

水泵水轮机极小开度反水泵工况压力脉动与内流特性分析

混流式水泵水轮机普遍存在S特性区,水轮机工况启动时机组常不能由空载直接带负载,容易进入反水泵区,导致机组并网困难。本文以模型水泵水轮机为对象,对极小导叶开度下的多个反水泵工况点进行了整体流道三维流动计算,探讨极小导叶开度下反水泵区机组的非定常流动特性。数值计算采用SAS SST-CC湍流模型,5个定常工况点计算的外特性曲线与模型试验数据吻合较好。对流量较小的工况进行非定常计算,旋转转轮9个叶道各8个测点的压力脉动结果显示,相似位置测点间的压力脉动混频幅值和频率均存在明显差异,峰峰值的差异最大达到4.2%,说明此时转轮内的流态分布很不均匀。测点离导叶越近,低频脉动的主频从0.19 fn逐渐增加到1.07 fn;动静干涉引起的20 fn脉动幅度会逐渐增强,但转轮出口位于出流与入流过渡区的测点趋势则不同。结果显示在反水泵工况区运行,转轮各叶道间的流态分布极不对称,充满了严重的流动分离和漩涡。     

水泵水轮机全流道“S”特性区数值分析

抽水蓄能电站在水电中扮演着极其重要的角色,其机组水泵水轮机的“S”特性区流动情况是研究的重点。以自主研发的某水泵水轮机为研究对象,根据模型试验结果的“S”特性曲线,选取其中小导叶开度的“S”特性曲线,结合SST k-w湍流模型,运用ANSYS-CFX软件对曲线上部分工况点进行了数值分析。数值分析工况包括水轮机工况、飞逸工况、制动工况和反水泵工况,通过计算得到了单位流量和单位转速的关系曲线,所得曲线与模型试验曲线较为吻合。计算结果表明：在制动工况和反水泵工况时,固定导叶、活动导叶和转轮区域内均存在较多的旋涡性回流,为较为不稳定的工况。转轮区域内流动速度极低,叶片中间位置有无规则性回流,相邻的两个叶片头部之间形成横向流动的水环,水环在离心力的作用下阻挡水流进入流道,从而大大减小了转轮的过流能力,这可能是导致水泵水轮机在制动工况下单位转速降低的重要原因。     

水泵水轮机在S特性区的流态及压力脉动研究

抽水蓄能机组的四象限特征曲线存在着S形曲线,抽水蓄能机组运行工况复杂,机组经常在多个工况之间转换,机组在水轮机和水泵状态之间频繁切换,都会穿越S形曲线。S特性可以导致水泵水轮机机组产生强烈的振动,使得机组并网困难,振动剧烈,甚至因压力超标严重影响电站的安全稳定运行。在业界的共同努力下,S形问题对工程投运影响已经得到了根本解决,但是S形问题的诱发机理并不十分清楚。因此该文以某模型水泵水轮机为研究对象,通过全流道非定常数值模拟和基于全特性试验的粒子图像测速法（particle image velocimetry,PIV）相结合,根据机组的运行特性,选取水泵水轮机三个开度下的13个工况点内部流动特性及压力脉动特性进行了研究。综合数值模拟及试验结果,获得空载工况,小流量工况及反水泵工况下无叶区漩涡的运动规律。分析了漩涡结构对无叶区压力脉动特性的影响。结果表明,空载工况对S特性区压力脉动幅频特性存在影响,空载工况与无叶区压力脉动存在必然联系。各工况点下无叶区压力脉动主频大部分工况为叶片通过频率,即9 f_n（f_n为转频）,部分工况受尾水管压力脉动影响主频...     

基于CFD的水泵水轮机水泵工况驼峰性能评判研究

以两个水泵水轮机模型转轮为研究对象,联合分析了单流道计算结果与模型试验结果,形成了不同转轮方案“驼峰”性能比较的CFD评判方法,对水力设计时“驼峰”性能的优化提供了理论指导,同时对转轮和活动导叶在压力系数“转折点”和“驼峰”谷点工况下进行了内部流态分析,对“驼峰”现象的产生原因有了更加深入的了解。结果表明：转轮对比时,压力系数“转折点”流量系数越小,模型试验得到的“驼峰”谷点流量系数越小,压力系数越高,“驼峰”裕度越大;活动导叶近顶盖区域的不稳定流动是单流道计算时压力系数曲线出现“转折点”的主要原因;转轮内部分流体从低压边近上冠侧向高压边近下环侧的流动导致活动导叶近底环区域产生复杂的紊流,严重堵塞了流道,导叶的过流能力下降,是水泵工况出现“驼峰”现象的内因。     

混流式水泵水轮机驼峰区压力脉动数值分析

采用DES数值模拟方法对水泵水轮机驼峰区的多个工况点进行了非定常数值模拟,并对驼峰区的压力脉动幅值和频率进行了评估,同时对驼峰区的特性及流态进行了分析。经试验对比,DES数值模拟方法能够对驼峰区压力脉动的频率做出较为准确预估,同时能对幅值进行准确的预测。     

水泵水轮机的数值模拟及其应用

采用足够小的直线段拟合机组全特性曲线平直部分，采用二次多项式拟合机组全特性曲线弯曲部分，推导了有关方程，并对模拟的方程进行了处理，编制了较通用的计算机程序，利用该计算机程序对我国蒲石河抽水蓄能电站进行了计算分析，计算结果表明：该计算机程序计算速度较快、计算准确度较高，提出的水泵水轮机的数值模拟方法具有实用价值．     

不同湍流模型在水泵水轮机内的适用性比较

随着抽水蓄能电站的兴建,水泵水轮机得到了广泛的应用.为了更加合理的探究水泵水轮机在不同工况下的水流运动状况,分别采用标准k-ε、RNG k-ε、SST k-ω及标准k-ω四种湍流模型进行数值模拟计算,主要对水泵水轮机在水泵工况下导叶开度为16 mm的运行工况进行全特性分析.通过对水泵水轮机进行扬程、效率、轴功率等计算,...