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.     

关联维数在尾水管压力脉动分析中的应用

以黄壁庄机组尾水管压力脉动试验的实测信号为例,对时域信号进行了频谱分析,并对在不同的工况下尾水管压力脉动信号进行嵌入维数和关联维数分析。结果表明,当嵌入维数大于等于18时,关联维数趋于稳定值。不同工况下水轮机尾水管压力脉动的关联维数也不同,当导叶开度为50.70%时,分形关联维数为3.456 6;导叶开度为62.85%时,分形关联维数为3.388 1。因此,关联维数可以作为对水轮机尾水管压力脉动情况进行识别的指标,可以指导电站的稳定运行。     

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.     

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.     

基于CFD的水泵水轮机压力脉动分析

针对水泵水轮机的压力脉动问题,采用计算流体力学进行了全流道数值分析。在活动导叶以及转轮之间的无叶区沿圆周方向设置61个监测点,并且对水轮机工况以及水泵工况分别采取不同工况进行压力脉动分析,对比分析不同工况的流场与压力脉动之间的联系。结果表明,水轮机工况以及水泵工况无叶区压力在时空尺度上均呈现周期性分布,水轮机工况压力分布主要由转轮叶片所决定,水泵工况压力脉动主要由活动导叶决定。水泵工况压力脉动强于水轮机工况。     

水轮机各工况导水机构开度的解析求解

本文的研究得出了水轮机导水机构任意角意出流角或位置角所对应的导叶开度,它能依据模型水轮机综合特性曲线准确的得出水轮机各工况的导叶开度。另外本文的公式简单,便于应用。     

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.     

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.     

混流式水轮机空化流动特性分析

采用混合物空化模型对混流式水轮机的内部流场进行了数值计算,得到了大流量工况、最优流量工况、小流量工况水轮机的内部流动特性。计算结果表明：在大流量工况和小流量工况下,尾水管中心截面的低压区与涡带是相对应的,压力脉动的幅值主要受尾水管涡带直径两端压力差的影响,其尾水管进口段左右两侧以及弯肘段附近均有较大的漩涡区域,造成较大的能量耗散,尾水管内有明显的回流现象,水轮机内部流动比较紊乱。     

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。       

模型水轮机尾水管压力脉动试验研究

在水轮机模型试验台上进行水轮机尾水管压力脉动试验研究,通过压力脉动试验工况的选择、测点的布置、信号采样频率及采样时间的确定,得到了在水轮机模型试验台上进行水轮尾水管压力脉动试验的方法。试验结果表明,所选择的工况合理,测点布置科学,信号采样频率及采样时间确定合理可行。     

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。     

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。     

水电站尾水管CAD的参数化实体造型方法及实现

提出了参数化实体造型的方法．该方法可以根据水轮机的类型自动选择尾水管的型号，根据转轮直径大小自动检索及计算尾水管的几何尺寸．由这些参数通过实体造型可自动生成尾水管的三维实体图，进而生成其单线图及任意截面的型线图     

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。     

灯泡贯流式电站机组及下游河道的水力过渡过程计算

针对灯泡贯流式电站水头低、流量大的特点，作者建立了水轮机的边界方程和尾水管出口与下游河道入口的边界方程，对甩负荷后机组及下游河道的水力过渡过程做了联合计算，实现了电站水力过渡过程计算研究中将水力与机械、有压流与无压流统一分析。实例计算表明：与假定尾水管出口水位恒定相比，结合下游河道非恒流时，机组转速最大上升率和导叶前最大水压力增大3％、4．2％，尾水管进口最小水压力减小达31％，对最大正、反向水推力的影响不大。