混流式水轮机偏工况运行的大涡模拟方法验证

为更准确地预测混流式水轮机在偏离最优工况时的内部流动特性和外特性,采用大涡模拟方法(LES)对其进行数值研究,针对LES方法,对比单相流计算和空化模型计算的结果.结果表明:基于空化模型的LES预测混流式水轮机内部流场比单相LES更为精确,偏工况下,多相流LES计算能捕捉到更准确的叶道涡结构和尾水管涡带结构.对比模型实验结果表明,LES计算能更好地预测水轮机的外特性,包括流量曲线和效率曲线.基于非定常的水轮机内部流动的LES,使用Q方法提取转轮区的空化叶道涡和尾水管涡带,研究叶道涡的高频运动和涡带的低频演化规律,在活动导叶开度10 mm、单位转速64.9 r/min工况下,叶道涡演化频率为转频的15倍,而涡带演化频率为转频的0.4倍,和实验结果相符合,验证了在复杂三维流动中LES方法的准确性.     

混流式水轮机尾水管螺旋涡带的近似解析模型及验证

混流式水轮机在偏离设计工况特别是在部分负荷下运行时, 转轮出口的旋流会在尾水管中产生螺旋状涡带,该涡带引起的压力脉动是引起水轮机水力不稳定的最主要原因。采用全流道非定常三维流场数值模拟来计算尾水管流场不仅对计算资源性能要求很高和耗时,而且很难在设计阶段快速计算出尾水管涡带诱导的流场,不利于在较宽运行工况范围预评估水力稳定性。本文在螺旋涡管诱导流场理论的基础上探索建立在部分负荷运行下尾水管中螺旋涡带的近似解析模型。采用该模型可以快速近似地计算出尾水管的流速,与国外相关的试验结果对比,验证了该模型的正确性。可以进一步研究将该模型用于混流式水轮机设计过程中的优化流道设计,以减轻尾水管涡带的影响和扩大运行工况范围。       

水轮机全三维粘性大涡模拟数学模型研究

采用大涡模拟技术,建立了绝对坐标系和相对坐标系下的联合计算数学模型,控制方程的离散在空间上采用有限体积法,时间上采用了具有二阶精度的“预测-校正”法,固壁边界使用“部分滑移”条件,使用该模型对高水头、高转速混流式水轮机流动特性进行计算。结果表明,转轮计算流场分布与实际情况吻合,在部分负荷工况下,叶片出水边存在脱流现象,造成叶片出水边表面出现负压。尾水管直锥段和弯肘段在部分负荷工况下存在较强的旋流,在轴心线附近存在回流现象,并成功地模拟了尾水管中的涡带现象,与实际观测结果一致,该涡带频率为机组旋转频率的三分之一左右,振幅较大,属于低频大幅值性质,是引起机组振动的根源之一。     

潮汐电站贯流式水轮机尾水管流动特性研究

基于潮汐电站真实的水头变化,在机组同一导叶开度和桨叶开度下加入不同的进出口压力,以此探究潮波条件下水轮机内部流动特性.数值模拟结果显示:在不同的压力进口条件下,流态显示出了截然不同的变化,从内部流动到外特性都有所不同.同时通过非定常计算的频谱及尾水管进口处轴向速度和圆周速度之比的分析,确定了低压工况下尾水管内旋转水流并不是涡带,而是由转轮出口的气团和水力不平衡共同造成的.     

原型混流式水轮机压力脉动特性CFD模拟分析

水轮机压力脉动与流动特性紧密关联.在保证CFD模拟与原型试验结果吻合的基础上,对覆盖某原型水轮机运行区间的25个稳态工况进行了模拟,分析了压力脉动特性及流态特性的对应关系.结果表明,该水轮机存在不稳定的运行开度区间,区间大小和位置随水头而变动;转轮内存在叶道涡,尾水管内存在碎涡及螺旋涡带,碎涡相互干扰使得尾水管低频脉动丰富,螺旋涡带撞击尾水管壁面产生低频高幅脉动并向上游直线传播;动静干涉产生的高频高幅脉动幅值并非随导叶开度增加而成线性增大.该结论可为机组运行和振动特性研究奠定基础.     

水泵水轮机泵工况流动结构演变对驼峰特性的影响

为了揭示水泵水轮机在泵工况流动结构演变对特性曲线驼峰特性的影响,采用SAS湍流模型对多个工况点的流态进行全流道数值模拟,得到两者之间的关联性.结果表明,当水轮机在40%~80%最优流量运行时,导叶内发生旋转失速;当流量低于40%最优流量时,转轮进口产生的回流涡结构在尾水管边壁侧产生螺旋回流阻碍过流,并改变转轮叶道在空间上的过流能力,进而改变转轮出流特性;转轮出口下环侧流速降低,使导叶所有叶道均产生剧烈流动分离,导致旋转失速消失,并产生回流流入转轮.转轮进口回流涡结构的出现,改变了水轮机内的流动分离特性,使水头损失突然增大,产生驼峰特性.     

灯泡式水轮机飞逸过渡过程3维CFD模拟

水轮机飞逸时会发生一系列由惯性附加力引起的不稳定现象,影响机组安全性,应深入研究。灯泡贯流式水轮机流道较短,纵横尺寸在同一量级,流动三维特性明显,用一维方法描述其过渡过程的误差很大,采用三维方法势在必行。本文对灯泡式水轮机飞逸过程进行全流道三维CFD模拟,得到了压力脉动、转速、力矩、轴向水推力等过渡过程参数及机组内部流态的演变规律。结果显示,重力场产生的竖向压力梯度分布使转轮承受交变水流作用力,使尾水管流动结构复杂化。飞逸过程中,由于转速上升,叶片水流撞击、脱流和尾水管涡带均明显增强,导致剧烈的压力脉动。     

不同步导叶对水轮机压力脉动的影响

采用Realizable k-ε模型,对水布垭模型水轮机进行三维全流道非定常湍流模拟,对在不同步导叶(即MGV)作用下的压力脉动进行了分析.选择活动导叶部分开度工况,分别研究MGV在3种不同开度下水轮机的压力脉动特征.分析结果表明:MGV可以减轻尾水管涡带的偏心,减小尾水管断面的压差,从而降低尾水管内低频压力脉动的振幅;MGV改变了导水机构与转轮之间原有的动静干扰特性,形成了新的振源,蜗壳和导水机构的中高频率压力脉动有所增强.     

基于LES模型的水轮机三维非稳定湍流及压力脉动数值模拟

本文基于N—S方程和大涡模拟（LES）模型，采用贴体坐标和四面体网格系统和SIMPLE算法，较准确地对混流式水轮机内部三维非稳定湍流流动及其尾水管内的旋涡压力脉动进行了数值模拟。     

水泵水轮机泵工况小流量波动特性

为了研究水泵在水轮机泵工况小流量下的流场特性,对某电站水泵水轮机进行建模.采用SIMPLEC算法和剪切压力传输模型（SST k-ω）模拟泵工况的流场特性,分析当泵工况活动导叶处于设计开度时在小流量下转轮、导叶的流场,结合实验对水泵水轮机的性能进行对比计算.结果显示,在导叶设计开度下当体积流量为设计流量的15%～53%时扬程曲线有小幅度波动;流量越小在导叶间的类似射流现象越明显,随着流量降低涡结构逐渐增多并且尺度逐渐变大,以至于充满整个活动导叶与固定导叶之间的流域;导叶的存在是小流量下扬程小幅度波动的主要原因.以上结论均可为水泵水轮机的优化设计提供依据.     

Numerical predictions and stability analysis of cavitating draft tube vortices at high head in a model Francis turbine

Draft tube vortex is one of the main causes of hydraulic instability in hydraulic reaction turbines, in particular Francis turbines. A method of cavitation calculations was proposed to predict the pressure fluctuations induced by draft tube vortices in a model Francis turbine, by solving RANS equations with RNG k-turbulence model and ZGB cavitation model, with modified turbulence viscosity. Three cases with different flow rates at high head were studied. In the study case of part load, two modes of revolutions with the same rotating direction, revolution around the axis of the draft tube cone, and revolution around the core of the vortex rope, can be recognized. The elliptical shaped vortex rope causes anisotropic characteristics of pressure fluctuations around the centerline of the draft tube cone. By analyzing the phase angles of the pressure fluctuations, the role of the vortex rope as an exciter in the oscillating case can be recognized. An analysis of Batchelor instability, i.e. instability in q-vortex like flow structure, has been carried out on the draft tube vortices in these three cases. It can be concluded that the trajectory for study case with part load lies in the region of absolute instability (AI), and it lies in the region of convective instability (CI) for study case with design flow rate. Trajectory for study case with over load lies in the AI region at the inlet of the draft tube, and enters CI region near the end of the elbow.     

水轮机尾水管内的流动模拟

混流和轴流定浆式水轮机在部分负荷下运行时,尾水管中常出现较为强烈的振动。这种振动主要是由尾水管中的旋涡带所致。本文通过尾水管内流动的模拟,导出了由尾水涡带所引起的周期性振动的振动频率和脉动压力的计算公式。     

Runner cone optimization to reduce vortex rope-induced pressure fluctuations in a Francis turbine

Pressure fluctuations induced by a vortex rope are the major causes of hydraulic turbine vibration in partial load operating conditions. Hence, an effective control strategy should be adopted to improve rotating characteristics of the vortex rope and reduce the corresponding pressure fluctuation. In this study, two new types of runner cones(i.e., abnormally shaped and long straight cones) were proposed to optimize the pressure distribution in the draft tube, and unsteady numerical simulations were performed to determine their mechanism of action. Numerical results were validated using flow observation and pressure fluctuation experiments. Detailed analyses were conducted to understand the effects of the helical vortex rope operating conditions. The results indicated that pressure fluctuations in the draft tube at partial load operation result primarily from low frequency fluctuations induced by the rotation of the helical vortex rope, whose amplitudes are related to the rotating radius of the helical vortex rope. Both runner cone types could effectively reduce the pressure-fluctuation amplitude. The long straight type could reduce the amplitude of low-frequency fluctuation induced by vortex rope to a maximum of 74.08% and the abnormalshape type to 38.31%. Thus, the effective optimization of the runner cone can potentially reduce pressure-fluctuation amplitudes.Our research findings were applied to a real hydraulic plant in China.     

4种湍流模型对混流式水轮机压力脉动模拟的比较

采用RNGk-ε模型、Realizable k-ε模型、Transition SST模型和DES模型,在4种网格尺度下对模型混流式水轮机三维全流道非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,分析各模型对水轮机压力脉动模拟的适应性,并进行网格无关性分析.分析结果表明:4种湍流模型都可以模拟出尾水管偏心涡带的形态,但尾水涡带在相位上不同,压力脉动的主频或振幅有差别;湍流模型与网格尺度不是单调线性关系,甚至相反;Transition SST模型比RNGk-ε模型、Realizable k-ε模型、DES模型对水轮机压力脉动模拟的适应性更好,在不同网格尺度下预测的压力脉动主频、振幅和试验结果更加吻合.     

旋流泵反转透平水力和汽蚀性能的CFD预测

旋流泵有无堵塞以及它的耐磨损性能,使其具有作为透平应用于多杂物多泥沙河流发电和工业固液两相流程余能回收的可能性,但该方面的研究目前还是空白。本文采用CFD方法计算比转速为76的旋流泵反转作为透平时的单相和空化紊流流动,在泵工况下将水力和汽蚀性能计算结果与试验值进行对比。结果表明:旋流泵可以作为透平产生动力,但透平最优工况与泵最优工况相距较远,汽蚀性能也差很多;尾水管存在与叶轮同向旋转的涡流,其中心存在空腔涡带。汽蚀性能的改善和空腔涡带的控制可能是未来要解决的关键问题。     

混流式水轮机尾水管不稳定周期性水流的相似律

本文作者提出了用以研究混流式水轮机尾水管中不稳定周期性水流的相似律。给出由尾水管中水流环量引起的低频压力脉动频率与振幅的计算表达式。某些水电厂试验表明,计算表达式是正确的。提出在大型混流式水轮机转轮出口处装设轴流式诱导轮,做为消除由尾水管低频压力脉动引起的水轮机振动的措施。