高水头混流式水轮机内部固液两相流数值分析

针对泥沙直径对混流式水轮机蜗壳和导水机构内部流场产生影响的问题进行了初步研究,采用固液两相流模型对某电站的高水头混流式水轮机进行了全流道数值模拟,通过单一变量法来研究不同来流泥沙的直径对蜗壳和导水机构内部压力及泥沙分布产生的影响。研究结果表明:与清水相比,含沙水流会不同程度地使蜗壳和导水机构内部的水压力载荷增加,在相同工况下,蜗壳底部、蜗壳鼻端、固定导叶和活动导叶头部的泥沙浓度较大;小直径下泥沙分布均匀,随着泥沙直径的增加,泥沙浓度的梯度变大,泥沙分布更加集中,从而会使磨损加剧。该研究成果可为在含沙水流中运行的水轮机设计提供参考。     

高水头多泥沙电站水轮机导叶的泥沙磨损研究

高水头多泥沙电站水轮机活动导叶是泥沙磨损最为严重的部件。采用k-ε固液两相湍流模型和Sample算法,对水轮机全流道的流动进行数值模拟,并采集电站前池沙样,对水轮机导叶进行了泥沙磨损试验。计算结果表明,活动导叶上泥沙浓度最大位置在5%～10%弦长处,最大泥沙速度出现在20%弦长附近。试验结果表明,泥沙磨损较严重处为活动导叶头部,磨损最严重处在20%弦长附近,泥沙速度对活动导叶磨损影响很大。     

运行工况对多沙河流水轮机导叶区磨损影响研究

多沙河流上具有调峰功能的水轮发电机组运行工况转换非常频繁,水轮机经常偏离最优工况运行,导致活动导叶磨损破坏严重。为揭示运行工况对水轮机活动导叶区域固液两相流动规律的影响,建立了黄河某多沙电站原型水轮机全流道三维水体模型,采用欧拉-欧拉两相流模型和RNG k-ε湍流模型对水轮机不同出力工况进行了固液两相流数值模拟计算,对不同运行工况下导叶区域的压力、流速、含沙量等进行了分析。结果表明：含沙水流会使导叶区域最小压力减小,从而增加空化发生机率;出力工况对导叶区固液两相流动影响较大,随着水轮机出力减小,导叶区最大流速反而增大,活动导叶迎水面与背水面的速度差也逐渐增大,小出力工况下,座环靠近鼻端位置高泥沙浓度区域扩散变大,活动导叶表面泥沙浓度由顶端至底部逐渐增加,活动导叶头部位置泥沙浓度最高。研究结果能够为预测多沙河流水轮机活动导叶易磨损位置和研究抗磨蚀对策提供技术支撑。     

水轮机活动导叶关闭过程中导水机构内动态流场数值模拟研究

水力机组在暂态过程中诱发的强瞬变流是一种复杂的非定常湍流,对机组安全稳定运行具有重要影响。为了探索水轮机活动导叶动态调节动作诱发叶后强瞬变流对机组暂态特性的影响,本文应用模拟流固耦合动态效应较好的浸入边界法和大涡模拟技术来处理该类强非线性动边界流体动力学问题。首先,精细模拟槽道内两级线性排列动静叶栅动态绕流叶后压力和尾迹结构分布,由于受到固定导叶和活动导叶动静干涉的影响,其下游流场表现出复杂的非定常流动特征。随后完成了水轮机导水机构两级非线性环列叶栅动态绕流的模拟,展现了水轮机导叶调节运动的关闭过程。该方法可用于水轮机流道内多级翼型叶栅绕流的精细模拟,为研究水轮机调节振荡对机组暂态性能的影响提供有益的参考,对耦合上游管道系统水力暂态和水轮机三维暂态效应的研究也有指导意义。     

多沙河流水轮机活动导叶泥沙磨损数值模拟研究

多沙河流水电站水轮机活动导叶磨损严重,导致机组出现“潜动”现象,甚至危及机组安全运行。为了揭示小开度工况下导叶区域的流动特性以及磨损特性,建立了万家寨原型水轮机全流道三维水体模型,采用ＤＰＭ模型和标准湍流模型对四种小开度工况进行了固液两相流数值模拟计算,结果表明:10％开度工况与４0％开度工况相比,叶栅流道的流态变差,导叶区域的流速和压强变化梯度增大,导叶立面密封位置两侧压力差由４8ｋＰａ增加到108ｋＰａ,立面密封处流速由18ｍ／ｓ增加到2４ｍ／ｓ;在10％开度工况下,叶栅流道狭窄,含沙水流在活动导叶出口形成射流磨损,导致活动导叶迎水面的头部和出水边以及背水面立面密封位置处磨损严重,随着导叶开度增大,活动导叶表面的磨损程度以及磨损区域都逐渐减小。本研究对于多泥沙电站水轮机稳定运行以及活动导叶的磨损防护具有重要意义。     

碳化钨热喷涂工艺在转轮活动导叶表面防护的应用

水轮机过流部件中,转轮和活动导叶的流体磨损,汽蚀损伤是最严重的,尤其在高泥沙含量中工作的水轮发电机组。为保障水轮机发电机组的安全运行,对转轮和活动导叶表面防护技术的研究十分重要。     

黄河小浪底水力发电机组转轮活动导叶表面防护设备工艺

水轮机过流部件中，转轮和活动导叶的流体磨损，汽蚀损伤是最严重的，尤其在高泥沙含量中工作的水轮发电机组。为保障水轮机发电机组的安全运行，对转轮和活动导叶防护技术的研究十分重要。     

导叶开度对水泵水轮机泵工况导叶区流场影响的试验研究

针对活动导叶开度对水泵水轮机泵工况导叶区流场和模型性能的影响,在高精度模型通用试验台上对一低比转速模型水泵水轮机导叶区的流场运用粒子图像测速(PIV)系统进行了测量。测量结果显示,同一开度下随着流量减小,无叶区内的流速出现增大的趋势;同一流量随着开度的减小,导叶前流速明显增大,模型效率下降。模型试验在转轮无空化条件下进行,但在8 mm开度83%最优流量工况,由于流速高、冲角大,造成位于高压侧的导叶头部发生了明显的绕流空化现象,并引起了固定导叶流道宽频带的压力脉动。研究成果可为水泵水轮机的优化设计和安全稳定运行提供试验依据。     

基于CFD的水轮机导叶泥沙磨损研究

导叶是水轮机必不可少的引水构件，为了能研究含沙水中导叶的磨损情况，应用CFD流体分析软件，基于RNG湍流模型对不同泥沙浓度下的水轮机导叶进行了数值分析，得到了不同工况下导叶的泥沙体积分布图，从而进一步分析导叶的磨损情况。分析结果表明，在含沙水中，导叶叶片泥沙量从叶根向叶梢逐渐减小，叶片根部最早遭受泥沙冲蚀，磨损程度比其他位置严重。叶片正面过水面积比较大，所以叶片正面泥沙量比背面多，所遭受的泥沙磨损也比背面严重。随着泥沙浓度的增大，导叶表面的泥沙分布量也逐渐增大，叶片越容易遭受磨损破坏，而且同一个地方磨损程度越严重。     

贯流式水轮机活动导叶内部三维固液两相紊流研究

针对贯流式水轮机活动导叶内部固液两相亲流的三维数值模拟问题，基于N－S方程和两相紊流的。。一个模型，采用贴体坐标和交错网格系统，用SIMPLEC算法对水轮机活动导叶内部的固液两相亲流进行数值模拟，提出设计工况时活动导叶内部的两相紊流特性．得出了导叶内部流场和压力场的分布．将计算结果用Tecplot7进行处理，用图形表示其内部的流动状态和压力分布．     

低扬程灯泡贯流泵水力特性及内部流场数值模拟

为了更加深入地研究灯泡贯流泵及其后置导叶的水力性能,采用CFD方法,借助于RNG k-ε湍流模型,应用SIMPLIEC算法,对灯泡贯流泵装置全流道进行了数值模拟,分析了其在4种特殊流量工况点下机组后置导叶的流动特性,研究了灯泡贯流泵的内部流动特征。结果表明:在最优工况点时,泵装置的内部流态较好,水流平直顺畅,导叶的导流作用最好;在小流量工况下,泵叶轮进口处出现了大范围的回流、漩涡区,叶轮出口处出水流的流态紊乱,相邻叶片翼型周围有明显的回流区,后置导叶翼型周围的流态紊乱,存在大范围的不良流态区域;在大流量工况下,叶片周围流态较好,出水流态内的回流区较少,但导叶周围的流态较差。可见,后置导叶对叶轮出口处水流的导流作用明显,偏离最优工况时,导叶区的水力损失较大。     

Design and development of guide vane cascade for a low speed number Francis turbine

Guide vane cascade of a low speed number Francis turbine is developed for the experimental investigations.The test setup is able to produce similar velocity distributions at the runner inlet as that of a reference prototype turbine.Standard analytical methods are used to design the reference turbine.Periodic walls of flow channel between guide vanes are identified as the starting profile for the boundary of the cascade.Two alternative designs with three guide vanes and two guide vanes,without runner,are studied.A new approach,for the hydraulic design and optimization of the cascade test setup layout,is proposed and investigated in details.CFD based optimization methods are used to define the final layout of the test setup.The optimum design is developed as a test setup and experimental validation is done with PIV methods.The optimized design of cascade with one guide vane between two flow channels is found to produce similar flow conditions to that in the runner inlet of a low speed number Francis turbine.     

叶轮与导叶匹配关系对立式离心泵水力特性影响的实验研究

大型含导叶立式离心泵广泛应用于高扬程远距离调水,旋转叶轮与静止导叶动静干涉引起的无叶区内高幅值压力脉动是影响其稳定运行的关键因素.为研究叶轮与导叶匹配关系对水泵水力特性的影响,对3台模型泵开展能量特性与压力脉动同台对比实验,分别监测了进水流道、无叶区和压水室的压力脉动信号,并进行时域和频域分析.结果表明:泵运行流量越靠...     

丹江口水力发电厂4号机组固定导叶修型

丹江口水力发电厂4号水轮机改造除水轮机外还包括了对固定导叶的修型。固定导叶是支承座环的支柱,在设计时要求水流以最小的水力损失流经固定导叶。此次修型主要是通过铲磨固定导叶进出水边,改变导叶的型线,力求固定导叶型线与蜗壳所形成的水流流线相重合。文章详细介绍了固定导叶修型的方法,重点介绍了修型时采用的关键技术。     

Simulation of flow pattern at rectangular lateral intake with different dike and submerged vane scenarios

A comprehensive understanding of the sediment behavior at the entrance of diversion channels requires complete knowledge of three-dimensional (3D) flow behavior around such structures. Dikes and submerged vanes are typical structures used to control sediment entrainment in the diversion channel. In this study, a 3D computational fluid dynamic (CFD) code was calibrated with experimental data and used to evaluate flow patterns, the diversion ratio of discharge, the strength of secondary flow, and dimensions of the vortex inside the channel in various dike and submerged vane installation scenarios. Results show that the diversion ratio of discharge in the diversion channel is dependent on the width of the flow separation plate in the main channel. A dike perpendicular to the flow with a narrowing ratio of 0.20 doubles the ratio of diverted discharge in addition to reducing suspended sediment input to the basin, compared with a no-dike situation, by creating the outer arch conditions. A further increase in the narrowing ratio decreases the diverted discharge. In addition, increasing the longitudinal distance between consecutive vanes ($L_{\mathrm{s}}$) increases the velocity gradient between the vanes and leads to a more severe erosion of the bed, near the vanes.     

Numerical predictions of pressure pulses in a Francis pump turbine with misaligned guide vanes

Previous experimental and numerical analyses of the pressure pulse characteristics in a Francis turbine are extended here by using the unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equations with the shear stress transport （SST） turbulence model to model the unsteady flow within the entire flow passage of a large Francis pump turbine with misaligned guide vanes at the rated rotational speed. The S-curve characteristics are analyzed by a combined use of the model test and the steady state simulation with the aligned guide vane firstly. Four misaligned guide vanes with two different openings are chosen to analyze the influence of pressure pulses in the turbine. The characteristics of the dominant unsteady flow frequencies in different parts of the pump turbine for various misaligned guide vane openings are investigated in detail. The predicted hydraulic performance and the pressure fluctuations show that the misaligned guide vanes reduce the relative pressure fluctuation amplitudes in the stationary part of the flow passage, but not the runner blades. The misaligned guide vanes have changed the low frequencies in the entire flow passage with the change of the pulse amplitudes mainly due to changes in the rotor-stator interaction and the low frequency vortex rope flow behavior.     

三峡水轮机全流道三维流动数值模拟研究

本文使用商业CFD软件FLUENT,开发了部分接口程序,进行了全流道原型水轮机三维湍流数值模拟研究,计算对象是中国水利水电科学研究院机电研究所为三峡右岸开发的水轮机模型,该水力模型有完整的模型试验资料,可用于检验计算结果。水轮机全流道三维湍流数值模拟,计算区域为包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的全部流道。模拟中控制方程采用了三维时均N—S方程、湍流模型采用两方程RNG k-ε模型,数值方法采用贴体坐标的有限体积法。共进行了3个开度条件下的计算,每个开度各进行4个典型工况的三维湍流流场模拟,通过数值方法求解控制方程,获得了全流道的流速和压力分布。计算结果表明流速和压力分布合理,数值计算得到的效率与试验得到的效率进行比较,结果吻合良好。     

水泵水轮机在水轮机工况下导叶水力矩试验研究

为分析水泵水轮机在水轮机工况下导叶水力矩大小及其变化规律,针对国内某抽水蓄能电站的水泵水轮机模型,基于电测应力分析方法,对活动导叶轴进行特殊加工处理,分别进行水轮机工况下同步导叶和非同步导叶的水力矩试验。对试验结果分析得出:在不使用非同步导叶时,随着导叶开度的增大所有被测导叶的导叶水力矩因数变化保持一致,并且水力矩的方向从导叶关闭方向逐渐转向导叶开启方向;设置10~#导叶为非同步导叶后,在非同步导叶开度与同步导叶开度值相差小于16.4%时,被测导叶的水力矩因数趋于均匀分布,差值大于16.4%时随着开度值的增大水力矩急剧增大,并且不同导叶的水力矩因数差别较大。