水泵水轮机泵工况停机过程流动特性分析

小水电对于国家减少碳排放的作用日益扩大,由于抽蓄机组技术较为成熟,目前国家鼓励小水电向抽蓄机组转变。为分析小水电转变为抽蓄机组后的稳定性,利用动网格方法实现了对水泵水轮机泵工况停机过程的模拟,得到其外特性变化曲线,并对水泵水轮机泵工况停机过程的流动特性进行分析。研究发现：泵工况停机过程中,在转轮与导叶区域涡流首先出现在活动导叶与固定导叶之间,然后在转轮叶道内形成涡流,且随着停机过程的进行,涡流的分布逐渐混乱。无叶区压力在停机过程中先增大后减小,中心低压区面积逐渐增大。尾水管区域内涡流首先出现直锥段,然后该影响逐渐传递至下游,在扩散段形成涡流,随着转轮转速的降低,尾水管流态得到一定的改善。在整个过程中蜗壳、无叶区和尾水管位置的压力受到水锤作用的影响,无叶区的压力脉动受到动静干涉的影响,波动范围很大。图9幅,表1个。     

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。     

混流式水轮机大负荷压力脉动模型试验研究

混流式水轮机涡带压力脉动是引起水电机组剧烈振动的主要水力因素之一,其关注重点是低负荷偏心涡带,对大负荷直涡则研究较少.但是,在部分水电站大负荷压力脉动很严重,有的甚至引起尾水管底板撕裂、转轮掉块等问题,严重影响电站运行安全.本文重点介绍了某混流式模型水轮机进行大负荷压力脉动试验的方法及结果.试验过程中,在测量压力脉动的...     

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...     

某低水头混流式水轮机叶道涡特性数值分析

采用数值模拟手段,研究低水头混流式水轮机叶道涡的水力特性,依托某低水头混流式水轮机模型转轮试验结果和数值计算结果,选取三个单位转速下出现叶道涡的工况,基于N-S方程及SST湍流模型对水轮机进行单流道、全流道、定常和非定常流动数值模拟,分析叶道涡复杂流动的水力特性和压力脉动。结果表明,在叶道涡初生工况,叶片上冠正背面均有部分脱流现象,随着水流在叶片内部运动,转轮出口处,靠近上冠区域有较明显的脱流漩涡和失速区,这部分区域也是叶道涡产生的集中区域。分析转轮内部各个监测点的压力脉动数据,发现转轮内部各个测点会出现有规律的1倍转频的低频脉动和24倍高频脉动,1倍低频脉动与转轮自身转速有关,24倍高频脉动与活动导叶数量有关,是动静干涉影响的结果。测点位置的流态越差,该测点的压力脉动幅值会越高。     

原型混流式水泵水轮机过渡过程中的压力脉动

电力市场日益增长的需求导致水泵水轮机频繁地改变运行工况,在偏离设计工况条件下,不得不历经压力脉动幅值较高的区域运行。混流式水泵水轮机的压力脉动主要由动静干涉、旋转失速以及尾水管涡带等不稳定流动引起的。然而,当前关于过渡过程中压力脉动的研究偏少,通常侧重于稳态运行。本文根据现场实测压力数据,采用Savitzky-Golay方法提取过渡过程中的压力脉动,并利用FFT、STFT等方法进行信号处理,揭示了实际抽水蓄能电站水泵水轮机甩负荷过程中压力脉动组成成分和相对强度变化的普遍规律。结果表明:蜗壳进口、无叶区在经过飞逸点后压力脉动将由高频的动静干涉和低频旋转失速共同组成,其动静干涉幅值极值分别出现在制动工况和飞逸点,旋转失速幅值极值均出现在飞逸点以后的制动工况。尾水管压力脉动组成频率则集中在低频区,与涡带和不稳定流态有关。     

水泵水轮机甩负荷过渡过程中的压力脉动和转轮受力

水泵水轮机甩负荷过渡过程中,压力脉动和转轮受力剧烈变化,导致事故频发。本文采用动网格技术对某模型水泵水轮机的甩负荷过渡过程进行全流道三维数值模拟,分析了水轮机压力脉动和转轮受力变化特性及其演变的内流机理。结果表明:甩负荷过渡过程中,转轮进口回流的出现和发展显著增加了无叶区内流体的湍动能,使导叶与转轮之间的动静干涉明显增强,导致压力脉动幅值急剧上升,其最大值达到初始阶段的5倍以上;与此同时,转轮进口局部产生的回流使无叶区内的湍动能和压力脉动强度在高度方向不均匀分布;此外,转轮进口回流发展使叶道内流态分布失衡,产生低频旋转失速,导致转轮叶片所受力矩和径向力的波动幅值快速上升,最大波动幅值分别达到初始阶段的10倍和60倍,而尾水管涡带对其的影响处于次要地位。     

涌潮水流CFD数值模拟

涌潮是一种对涉水建筑物冲击巨大的非线性强间断流,实现涌潮的小尺度精细模拟是分析涉水建筑物在涌潮作用下结构稳定性的前提。采用大涡模拟(LES)技术求解N-S方程,利用流体体积法(VOF)实现对自由水面的追踪,边界上给定基于涌潮理论公式推导出的涨潮流速与水深条件,进行了涌潮的小尺度精细模拟。结果表明,数值模拟得到的涌潮传播速度与理论值比较接近,Fr < 1.3时为波状涌潮,Fr>1.5时为旋滚涌潮,涌潮形态分区与前人的试验成果吻合。在涌潮传播过程中,潮头处流速最大,且表层流速波动幅度始终大于中低层流速波动幅度,旋滚涌潮潮头水体紊动比波状涌潮强烈。模拟结果同时表明涌潮潮前水深与涌潮高度是影响潮头流速波动和形态的主要因素。上述涌潮模拟方法可为涌潮河段涉水建筑物的结构设计及安全评估提供参考。     

用大涡模拟方法计算尾水管内非定常周期性湍流

本文运用大涡模拟-双方程模型进行尾水管内部非定常周期性湍流计算。而且本文对尾水管复杂计算域的网格划分，提出一种更加合理的多块结构网格。计算结果用波形显示了尾水涡带和压力脉动的主要性质和运动特征。     

二维翼型非定常运动数值模拟

本文应用商业软件FLUENT进行数值模拟。首先将静止圆柱和旋转振荡圆柱绕流的计算结果与文献[18]进行了比较,接着对典型二维翼型沉浮振荡的计算结果与实验图像进行了比较,以此验证了用Fluent软件计算非定常运动的可靠性。在此基础上,本文对二维翼型沉浮、俯仰以及沉浮/俯仰联合运动这三种方式分别进行了模拟,分析了不同参数如振幅、频率、沉浮和俯仰之间的相位差的影响。得出一些有意义的结论和新的现象。     

中间渠道内非恒定流数值模拟

利用平面二维非恒定流数值模型，来研究中间渠道内非恒定流问题，该模型基于任意三角形计算网络，采用隐式求解自由表面的剖开算子法，离散求解控制方程，有效地处理了非线性混合算子和计算自由表面的困难，避免人工滤波措施，提高了计算精度和计算稳定性，并在三峡通航工程方案比较中得到应用。计算结果表明，该模型能较好地反映中间渠道内水流特征，与分析模拟船闸不同运行方式下渠道内水流波动特性，达到优化运行方案，改善渠道内航行条件的目的。     

槽道中方形障碍物绕流的大涡模拟

本文应用二阶全展开ETG有限元离散格式与大涡模拟相结合的方法对固定在槽道一侧的方形障碍物的绕流进行了数值模拟，计算了雷诺数为40000的湍流情况下的绕流流场，将模拟结果与实验结果及他人的数值结果进行了对比，符合较好，表明大涡模拟与所论的具有较高精度的数值算法相结合，适合于具有大尺度涡的绕流运动流场的分析。     

向家坝水利枢纽下泄非恒定流的数值模拟

采用四点隐格式和改进的求解方法建立了向家坝枢纽下游145 km河段的非恒定流数学模型,通过2005年实测的枯、中、洪水过程对模型进行验证。应用该模型模拟了向家坝日调节下泄非恒定流的传播过程,分析了枢纽下游非恒定流的传播规律。模拟结果表明枢纽下游河段产生附加比降,水位~流量关系呈绳套状,且非恒定波发生横向变形。     

弯肘型尾水管非定常涡旋流动数值模拟

本文采用有限体积法求解用代数雷诺应力模型封闭的雷诺平均N—S方程组，对湖北清江隔河岩水电站l号发电机组的尾水管，在部分负荷工况运行时的非定常涡旋流动进行了数值分析。结果表明，在水轮机部分负荷运行，特别是负荷为40％左右时，尾水管内形成了明显的旋转涡带。数值模拟得到的尾水管中压力脉动的频率，与湖北中试所在隔河岩进行测试的结果基本一致。     

亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的数值模拟及减阻研究

采用大涡模拟数值方法对亚临界雷诺数Re=3000下波浪型圆柱的绕流现象进行研究分析。研究结果表明,波浪型圆柱的三维尾迹涡结构能得到很好的控制,它在轴向方向呈现周期性正负涡的交替分布特性。随着幅值的增大,波浪型圆柱表面的自由剪切层得以延展,使得旋涡的脱落发生在波浪型圆柱下游较远处,从而达到减阻的目的。波浪型圆柱与普通直圆柱相比,其幅值对平均阻力系数及脉动升力系数的减少及尾迹控制有着更重要的影响,最大减阻可达16%。     

轴流泵不稳定流场的压力脉动特性研究

流场压力脉动是影响大型轴流泵运行稳定性的关键因素,本文采用时间相关的瞬态流分析理论及大涡模拟方法研究轴流泵内部非定常流动,得到了不同工况下泵内水压力脉动结果。通过与实测扬程和功率对比,证明本文所提出的方法可较准确地反映泵的流动特征。研究表明,轴流泵内最大压力脉动发生在叶轮进口前,压力脉动频率主要受叶轮转频控制;在叶轮进口与出口处,从轮毂到轮缘压力脉动逐渐增大,而在导叶中间及导叶出口处,结果正好相反。偏离最优工况越远,脉动的相对振幅越大,在60%流量工况下泵内压力脉动约为最优工况的2倍。