混流式水轮机内部空化流动数值模拟

为探究不同比例的长短叶片对混流式水轮机内部流场空化特性的影响,基于欧拉-欧拉方法中均匀多相流假设的混合两相流体无滑移模型,采用RNG k~ε湍流模型以及三维时均N-S方程,对各混流式水轮机进行全流道三维定常空化湍流计算,获得了3种不同比例长短叶片对应的混流式水轮机在各空化系数下空泡相的流动特征以及各水轮机对应的σ~η曲线图。计算结果表明,当长短叶片比例为0.47时,水轮机临界空化系数最小,为0.060 8,相比长短叶片比例为0.6时降低了8.82%;当3种水轮机处于同一空化系数下时,该型水轮机效率最高;随着水轮机转轮短叶片的增多,水轮机的空化性能及能量性能得到了明显的提升。研究结果对长短叶片混流式水轮机的设计、优化和改型等具有一定的指导意义。     

用两相流模型模拟混流式水轮机内空化流动

本文采用两相流中两流体模型模拟混流式水轮机转轮内三维湍流空化流场, 基于两相流中两流体模型的理论和方程, 推导了水轮机转轮中空化两相流的两流体基本方程, 并利用k-ε-kp两相湍流模型计算水轮机转轮中三维空化两相湍流. 计算结果包括了液相和空泡相的主要流动特征, 模拟结果可初步预测流体机械空化性能, 缩短模型试验周期.     

混流式水轮机低水头工况流动特性探究

为研究混流式水轮机在低水头工况下内部空化流动特性,采用ANSYS CFX软件,基于SST k-ω湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型对某混流式水轮机在70m低水头条件下的3种不同导叶开度工况进行数值模拟分析。结果表明:随着开度增大,负压区域面积逐渐减小,同时,最大开度下转轮叶片压力面进口边附近出现明显的低压带;随着开度增大,涡带形态由不稳定的螺旋涡带转变为沿尾水管轴心线分布的稳定涡柱;叶片吸力面气相分布主要集中在下环靠出水边处,且气泡分布面积随开度增大而增大。     

基于高速摄影的水力机械空化空腔膨胀收缩特性试验研究

水力机械水力不稳定是水电站、水泵站机组和厂房强烈振动、转轮叶片断裂、尾水管撕裂、压力及负荷振荡等稳定性问题的主要来源。空化空腔危害水力机械稳定性理论认为，空化空腔的膨胀收缩循环变化是引起强烈压力脉动及振动的主要根源，但该空化空腔的膨胀、收缩及溃灭并无试验资料证实。采用高速摄影对水力机械空化空腔膨胀收缩特性进行研究，证实了混流式水轮机叶道涡空化空腔、贯流式水轮机叶片两个端面间隙流空化空腔遇低压膨胀、遇高压收缩甚至溃灭的特性，发现贯流式水轮机叶片与转轮室之间间隙流是小尺寸多列漩涡流涡街。     

长短叶片混流式水轮机三维非定常流数值模拟

为探究长短叶片混流式水轮机在不同导叶开度下运行时内部水流流动的特点,基于流场数值模拟的计算方法对长短叶片混流式水轮机进行了全流道三维非定常湍流计算。结果表明,在不同开度下,转轮与导叶交界面处压力脉动主频皆为转轮转频与叶片数的乘积,且在小流量工况下主频振幅最大。当水轮机在小流量工况下运行时,尾水管涡带呈螺旋形,且绕转轮转轴顺时针旋转,与转轮旋转方向相同;当水轮机在额定工况下运行时,尾水管无涡带产生;当水轮机在大流量工况下运行时,尾水管涡带呈细长的圆锥形。     

超低比转速混流式水轮机不同叶片转轮分析

根据设计参数设计了冷却塔低比转速混流式水轮机。依照水力设计尺寸绘制图纸,利用三维画图软件Pro/EN-GINEER建立三维模型。基于Realizable湍流模型和时均N-S方程,对设计工况下混流式水轮机拥有不同转轮形式但蜗壳、导水机构和尾水管均不更换情况进行了数值模拟。获得了转轮内速度场、压力场的分布情况,并通过计算求得效率,对比分析了水轮机三种转轮全流道的流场分布,发现短叶片转轮在叶片背面靠近出口位置有小部分回流现象,靠近下环地方低压区域要比其他两种转轮的大,而当这个区域的压强减小到一定值时,容易发生空化空蚀。得出在合理的范围内适当增加叶片长度有利于能量的利用,并且使水轮机转轮流速、压力分布更合理,水力性能更好。     

襟翼长度对混流式水轮机空化性能的影响

为了研究襟翼结构尺寸对水轮机空化性能的影响,以HLX180-LJ-145混流式水轮机为原型,应用UG建立在原型转轮进口靠近下环处两叶片中间位置增加襟翼结构的加襟翼转轮模型为研究对象,利用ANSYS CFX软件对0.8Q_d小流量和1.0Q_d设计流量工况点清水和含沙水介质下的转轮空化现象进行数值分析,分别采用长度在60 mm、80 mm和100 mm的3种襟翼,对比两种流量工况下加入襟翼前后混流式水轮机转轮内部流动形态,研究襟翼长度对水轮机空化性能的影响。结果表明：转轮叶片吸力面靠近转轮出口处易产生空化,增加襟翼后,转轮内总受压面积增大,空泡体积分数减小,转轮进口来流得到充分分流,带襟翼转轮过流通道的叶栅稠密度增加,叶片表面流动分离延迟,水流流线变得顺畅,水流流态变好,含沙水对转轮的磨蚀冲击减弱,空化性能得到明显的改善。该研究对不同水流介质下的水轮机改造设计与优化具有一定的参考作用。     

长短叶片水轮机转轮内固液两相流数值模拟

运用RNGκ-ε湍流模型和两相流混合模型,分别对常规叶片和长短叶片的混流式水轮机全流道在不同开度下的含沙水流运动进行数值模拟,并对常规叶片转轮磨损情况与实验结果进行比较分析。对固体颗粒在2种转轮内的流动状况及叶片表面泥沙磨损程度进行分析时发现:2种转轮叶片表面泥沙颗粒速度曲线趋势相同,都是在叶片进口处存在速度最大值;在最优工况下,常规叶片表面的泥沙浓度要高于长短叶片,在叶片进口压力面和出口处出现了严重的泥沙磨损;长短叶片表面的泥沙浓度分布更为均匀。此外,在计算过程中还发现,叶片进口压力面的磨损程度随开度的减小而稍有加剧,最严重区域发生在距叶片进口1/5位置处。     

基于转轮换型的水轮机增容改造

对新旧型谱系列模型转轮的性能进行分析，结果表明：D06A转轮过流能力远大于HL160转轮，能量特性及空化特性同样优于HL160转轮，但对同一导水机构D06A水轮机导叶，最大开度比HL160要大。由流道对比可得出，两种转轮互换性很强。实践证明，用D06A转轮替代HL160转轮可增容20％。     

西藏老虎嘴电站水轮机内部流场数值模拟研究

水轮机在高海拔、低气压等特定地域环境下运行更容易产生空化空蚀现象,充分掌握其内部流场分布特征,对设计制造出适合在西藏3 300 m条件下正常运行的水轮机具有参考价值。以西藏老虎嘴电站水轮机运行参数为实际输入量,应用计算流体力学(CFD)中常用的Fluent 6.3软件,采用Realizable k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对最优工况运行下的水轮机进行了数值模拟,发现其内部流道的压力分布呈现环状,且沿着径向逐渐减小,在转轮叶片区域压力变化梯度最大;靠近蜗壳壁的水流流速较小,且沿着径向均匀增大,速度等值线排列比较均匀,内部流场的水流符合速度矩定理;所有过流部件附近区域的速度矢量分布呈现一种比较光滑、流畅的方式,无脱流、漩涡现象;本次计算结果与实际工况吻合。     

混流式水轮机卡门涡致振机理探讨与分析

水轮机出现卡门涡后易引起振动等问题。许多安装混流式水轮机的水电站发生卡门涡频率的强烈振动，严重时甚至造成转轮叶片裂纹破坏，学界多认为这是由卡门涡共振引起。本研究通过比较卡门涡频率和固有频率的巨大差异、大朝山电站转轮叶片减薄修型后强振工况向大负荷转移等事实，提出新观点：大多数卡门涡强振及其破坏并非由共振引起。本研究进行了模型水轮机卡门涡观测试验，比较了流量、空化系数对可见卡门涡的影响，发现可见卡门涡多发生于大流量工况或低空化系数导致的涡心压力较低时，指出卡门涡由其涡心空化造成。通过电站消除卡门涡危害的措施等进一步说明：卡门涡共振存在于小流量工况，但共振能量低，没有显著破坏性;大流量工况的卡门涡强振并非共振，而源于卡门涡空化空腔溃灭产生的巨大冲击力。     

三维非定常湍流尾水管涡带计算研究

混流式水轮机弯肘型尾水管在部分负荷工况下产生带气泡的尾水涡流, 涡流在离心力的作用下形成与水流共同旋的涡带，由此产生的低频压力脉动是混流式水轮机面临的一个普遍性问题。水轮机中存在的水力压力脉动现象将诱发转轮叶片疲劳破坏。更有甚者对整个机组、厂房构成威胁, 严重影响了机组的安全稳定运行。本文采用全流道三维非定常流动数值模拟方法, 研究三峡混流式水轮机在部分负荷工况运行时，由尾水管涡带以低频的周期在尾水管内旋进引起的压力脉动现象。采用全流道非定常流动粘性湍流计算，计算结果表明在各记录点都捕捉到了涡带低频压力脉动：频率为0.333Hz, 是转频1.25Hz的3.75分之一，相近工况模型试验实测涡带频率为5.31Hz, 是转频18.62Hz的3.51分之一，从涡带频率看计算结果与试验测量结果一致。     

混流式水轮机转轮抗磨蚀水力性能研究

转轮严重磨蚀是在多泥沙河流运行的水轮机普遍存在的问题。通过对含泥沙水流在水轮机转轮内流动特性的研究，成功设计出抗磨蚀的混流式水轮机转轮。该转轮已在九子溪水电站运行了4年半时间，未进行过磨蚀修复，机组还增容15.3％。实践证明，磨蚀研究成果及转轮设计思想是正确的。     

Numerical analyses of pressure fluctuations induced by interblade vortices in a model Francis turbine

Interblade vortices can greatly influence the stable operations of Francis turbines. As visible interblade vortices are essentially cavitating flows, i.e., the ones to cause interblade vortex cavitations, an unsteady simulation with a method using the RNG k- ? turbulence model and the Zwart-Gerber-Belamri(ZGB) cavitation model is carried out to predict the pressure fluctuations induced. Modifications of the turbulence viscosity are made to improve the resolutions. The interblade vortices of two different appearances are observed from the numerical results, namely, the columnar and streamwise vortices, as is consistent with the experimental results. The pressure fluctuations of different frequencies are found to be induced by the interblade vortices on incipient and developed interblade vortex lines, respectively, on the Hill diagram of the model runner's parameters. From the centrifugal Rayleigh instability criterion, it follows that the columnar interblade vortices are stable and the streamwise interblade vortices are unstable in the model Francis turbine.     

太平哨水电厂HL240型水轮机转轮改型研究

现代计算机数值模拟技术的不断进步，为水轮机转轮的改型设计创造了条件。HL240型水轮机能量指标低、过流能力差，国内相当一部分中小型水电站是套用此转轮。应用考虑转轮来流有旋、叶片有限厚及转轮叶片力作用的转轮与导叶联合作用的基于S1流面的准三维设计模型，研究出HL240的改进型转轮，并通过相对效率法效率试验对比，鉴定了改型转轮的效率特性。结果表明，水轮机效率特性明显增加，在高负荷区表现尤为明显。     

混流式水轮机叶道涡的减轻与消除方法

根据混流式水轮机转轮内叶道涡现有研究资料,介绍了叶道涡的产生原理、分类及危害,重点阐述了补气、转轮叶片修型、活动导叶修型及转轮更换等几种减轻消除叶道涡的方法,为发生叶道涡引起的水轮机事故的水电站提供了参考及借鉴。     

三峡模型水轮机转轮的流态观测及过流通道内水压脉动试验研究

针对三峡机组运行水头变幅大、机组钤芳最成工况运行时间长等特点，在开发的三峡模型乐轮机组上进行了流态观测与水压脉动试验，本次试验选取了三峡电站动物范围内不同水头、不同负荷下的５５个工况，对该选定工况进行如下工作，即利用光导内窥交易和闪光测频仪对模型转轮叶片进出口流态进行了不同空化系数下的观测及描绘；对过流通道上布置的８个水压脉动测点，进行了电站装置空化系数下的水压脉动试验；以及在同一工况的不同空化系     

混流式水轮机空化流动模拟中的空化模型对比研究

以某水电厂混流式机组为例,在同样的工况下,采用Schnerr-Sauer空化模型和Z-G-B空化模型对其进行空化流动模拟,并与现场真机试验情况进行对比,从而比较各模型的计算效果。结果表明,水轮机叶片背面进水边、出水边附近的大部分区域、水轮机叶片下半段与下环交界处的空化程度较为严重。此外,Schnerr-Sauer空化模型仅适用于空泡数量比较少的情形,且仿真效果不甚理想;而Z-G-B模型的适用范围较广,且效果较好,因此可以在混流式水轮机空化流动模拟中更多地采用。     

混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。