基于CFD的混流式水轮机尾水管导流隔板分析

含沙水水轮机尾水管在运行工况下多存在流态不稳定,以及偏心涡带,从而引起压力脉动和尾水管振动,同时由于转轮出口环量的不均匀,引起尾水管内水流的脱流和撞击,导致空蚀磨损现象,影响水轮机的安全运行。为此,本文通过商用CFD软件建立含沙水中水轮机尾水管内部多相流动的数学模型,对尾水管加设导流隔板与否进行对比分析,肯定了导流隔板的作用;同时对不同位置导流隔板进行探讨,分析了尾水管水流运动情况和压力脉动,结果表明尾水管直锥段加设导流隔板,在减轻压力脉动上是十分有效的。     

压力脉动对尾水管进口空化腔影响的CFD模拟分析

水电站过渡过程计算中水轮机尾水管进口最小压强须控制在-8 m H2O以上，以防止危险的水柱分离。对于水泵水轮机，压力脉动大且成份复杂，确定此最小压强时应该计入哪些压力脉动尚无明确答案。针对某直锥尾水管水泵水轮机模型，在转轮进口施加不同脉动流速，分析尾水管进口空化腔生成发展规律。发现尾水管最大空化腔体积与进口脉动流速频率相关；随频率增大，空腔体积有先快速增大后缓慢减小变化趋势；空化腔变化周期受压力脉动频率和尾水管出口压强波动共同影响。在实际转轮进口可能的压力脉动频率对尾水管空化腔波动都有较大影响，但频率与尾水涡频率一致时会有共振效应。尾水管水锤波动是产生空腔涡的根本因素。     

水泵水轮机水轮机工况全流道三维非定常数值模拟

为了研究水泵水轮机水轮机工况下的内部流场及压力脉动特性,对某蓄能电站的水泵水轮机几何建模,采用RNG k-ε模型和SIMPLE算法,对水泵水轮机水轮机工况时三维全流道的空载工况、25%负荷工况、50%负荷工况、75%负荷工况、额定工况及满负荷工况进行三维非定常模拟;同时,监测蜗壳入口、活动导叶之间、导叶与转轮之间无叶区,以及尾水管直锥段和弯肘段的压力脉动情况.结果表明:空载等低负荷工况下,活动导叶出口出现射流,使导叶与转轮间无叶区流场恶化及转轮叶片进水边附近产生涡结构,随负荷增加而缓解;50%负荷工况下,尾水涡带有多分支相互缠绕,导叶与转轮间无叶区受动静干涉高频脉动的影响,尾水管区域受尾水涡带低频脉动影响,且各自向上、下游传播;额定工况下,P1至P5测点压力脉动的压力呈现阶梯依次降低,转轮前、后部分转轮与导叶间无叶区测点P3、尾水管锥段测点P4的脉动压力值出现很大的落差;各工况下导叶与转轮间无叶区脉动频率不变,各频率幅值随负荷增加而增大.     

涡轮出口旋流对扩大管压力回复性能的影响

为了研究涡轮出口旋流动能对入口锥角较大的直线型扩大管压力回复性能的影响,采用数值仿真的方法对其流体力学机理及规律进行探讨.选用可动翼灯泡贯流式水轮机作为研究对象,经水轮机进水管入口、固定导叶、导水机构叶栅、涡轮至尾水管（扩大管）出口实施了三维整体流动数值计算,计算了多运行工况下尾水管压力回复系数Cp,水力损失和比水能损率δD,得到了直线型扩大管内最优旋回动能与最大压力回复性能之间的流体力学关系,进而对于尾水管的水力性能进行了预测.提出了新定义的尾水管出口动能歪曲度Iek,进行了不同旋回入流条件下尾水管内部流动动能的比较.结果表明：Iek和Cp存在一定规律的内在关系,当尾水管动能歪曲度Iek具有最小值时,尾水管压力回复系数Cp最大、比水能损率δD最小.新提出的Iek可作为可动翼贯流式水轮机直线型尾水管内含旋回流动流体品质的评价指标.     

水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性

为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性,采用SST k-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟.在试验验证的基础上,通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况,分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律.结果表明,尾水涡带形态和旋转方向对机组压力脉动的影响很大:在小流量工况下,尾水涡带为螺旋状,旋转方向与转轮转动方向相同,转轮出口产生强烈的低频压力脉动,转轮叶片上的压力脉动频率约为转轮转频的0.62倍,尾水管压力脉动主频约为转轮转频的0.36倍;在最优工况和大流量工况下,尾水涡带变为管状,转轮出口压力脉动幅值变小,在转轮叶片表面检测到与尾水管压力脉动主频相同的压力脉动;大流量工况下涡带旋转方向与转轮旋转方向相反,尾水管内压力脉动的最大值出现在弯肘段区域.     

泄水锥加长与主轴中心孔补水对水轮机尾水管流态的影响

为了探究泄水锥加长与主轴中心孔补水对水轮机尾水管流态的影响,采用SST湍流模型对某混流式模型水轮机进行了全流道三维非定常模拟.对额定工况下原泄水锥、泄水锥加长这2种方案,以及对部分负荷工况下原泄水锥、泄水锥加长、泄水锥加长后补水这3种方案进行了计算.分析了不同方案下尾水管水流流线、尾水管各断面压力、尾水管涡带及流体的涡流黏度值的变化情况.结果表明:在额定工况下,泄水锥加长后对尾水管水流有稳流效果且水轮机效率略有提高;在部分负荷工况下,泄水锥加长后尾水管中心产生的涡带有变小的趋势,但涡带的偏心距稍有增加,而向尾水管补入2%额定流量的水流后,尾水管流态明显改善,直锥段水流的涡流黏度值降低,尾水管涡带的偏心距和涡带形态都有所减小,由偏心涡带引起的低频压力脉动幅值也有明显降低.     

提高水轮机稳定性的几点措施

从水力设计的角度出发，结合CFD技术的具体使用实际，分析讨论了棍流式水轮机转轮压力脉动与转轮出口环量、尾水管中的流速分布、转轮泄水锥、导叫一等之间的关系，提出了几点减轻压力脉动的具体措施。对利用水力设计来预测转轮压力脉动进行了一此探索。     

混流式水轮机水力振动及补气减振研究

基于VOF气液两相流模型,研究了不同补气方式对大桥水电站混流式水轮机的减振效果。为较好地模拟补气过程,以整台水轮机为研究对象,包括蜗壳、座环、活动导叶、转轮、尾水管等,对其进行了三维数值模拟,得到了水轮机过流部件压力分布、速度分布、尾水管补气流态,以及压力脉动特性。计算结果表明,补气能有效减小尾水管中的负压值和压力脉动幅值,且大轴补气的效果优于短管补气,但补气对消除转轮叶片气蚀的作用不明显。     

水泵水轮机转轮区域脉动特性分析

为了揭示水泵水轮机转轮区域压力脉动特性,选取模型水泵水轮机为对象.基于Realizable k-ε湍流模型,对模型水泵水轮机不同运行工况进行三维非定常数值计算,研究水泵水轮机在不同水头下带部分负荷时转轮区域的脉动特性.研究结果表明:30%负荷情况下,随着水头的增加转轮区压力脉动逐渐剧烈;在1个周期内,转轮上冠的压力脉动在时域特性上呈现周期性变化,而转轮出口轴线和与尾水管交界面处压力脉动在时域上相对紊乱;转轮上冠处压力脉动从进口边到出口边逐渐增大,其主频都为叶频,转轮出口边轴线上压力脉动都属于低频脉动,沿着负Z轴方向压力脉动幅值逐渐减小,转轮与尾水管交界面上压力脉动主频随着水头的增加逐渐减小,幅值的变化规律却相反.     

轴向射水减弱尾水管低频压力脉动试验

设计了一种从蜗壳引水通过泄水锥向尾水管内进行轴向射水的结构,实现减弱尾水管内低频压力脉动.对轴向射水和无射水情况下混流式水轮机内部压力脉动进行了模型试验研究.分析了4种部分负荷工况轴向射水和无射水时水轮机内部压力脉动幅值特性和频率特性,研究了轴向射水减弱尾水管低频压力脉动的效果.研究表明,在部分负荷工况下尾水管中存在螺旋涡带并引起尾水管壁处强烈的低频压力脉动,其频率约是1/5转频,该低频压力脉动是引起水轮机不稳定运行的主要原因;实施轴向射水后,在各部分负荷工况尾水管中低频压力脉动幅值都有明显减弱,但涡带频率基本保持不变.轴向射水使涡带向下游移动并对双涡带结构起到抑制作用.     

导叶不同开度下水泵水轮机内流特性分析

为研究预开导叶不同开度下的内流特性,以某抽水蓄能电站水泵水轮机模型为研究对象,基于SST k-ω湍流模型,进行预开导叶不同开度下全流道三维非定常数值模拟和分析,并与试验结果进行对比验证.探讨活动导叶与转轮之间,以及转轮内的旋涡分布情况,定量分析了转轮受力情况和尾水管压力脉动.结果表明:在同步导叶开度一定的情况下,随着预开导叶个数的增加,其过流部件的流量将会增大,且存在于活动导叶和转轮区域的高速水环也会被破坏,形成紊乱的旋涡.从转轮区域看,在叶片的液道内形成不同的涡结构,其分布的不均匀性将直接影响转轮的受力情况.随着预开导叶个数的增加,这种情况将更为明显,转轮径向力的幅值逐渐增大.进一步分析尾水管压力脉动发现,尾水管压力脉动幅值也随着预开导叶个数的增加而增大,从而导致机组振动加剧、运行不稳定.     

异常低水头对水泵水轮机压力脉动的影响

为研究水泵水轮机在异常低水头时的压力脉动特性,采用Realizable k-ε湍流模型对水泵水轮机运行于低水头的4个工况点进行了非定常数值计算,得到了蜗壳进口、导叶后转轮前、尾水管的锥管上游和肘管内侧4个监测点的压力信号,并与试验结果进行对比.重点考察了导叶开度37 mm、单位流量0.865 m³/s工况点的压力脉动时域和频域特征.研究结果表明:在异常低水头下,Realizable k-ε湍流模型能够精确地模拟大开度时水泵水轮机的压力脉动;蜗壳入口的压力脉动比较紊乱,在机组刚开启阶段脉动值较大,蜗壳进口压力脉动主频为转频19.78 Hz,说明在此工况下水泵水轮机蜗壳进口的压力脉动受到下游转轮转动的影响;导叶与转轮之间无叶区的压力脉动受到转轮与活动导叶之间的动静干涉作用,呈周期性变化且其主频为叶片通过频率;由于尾水管内部流动及涡带的作用,尾水管内的压力脉动为低频脉动,其主频约为0.35倍转频.     

长短叶片混流式水轮机内部流动数值预测

为研究长短叶片混流式水轮机的内部流动特性,基于CFX软件平台,运用N-S方程和SST湍流模型,对HLA542-LJ-130长短叶片水轮机全流道典型小流量工况进行三维湍流计算,得到了水轮机各过流部件内流场的流动信息.计算结果表明,从固定导叶到活动导叶出口,速度矢量随压力降低而均匀增大,而且压力和速度分布在圆周方向的周向性较好,从叶片进水边到出水边,长短叶片压力变化为均匀减小,压力分布比较合理,叶片工作面表面没有明显的回流和二次流,流线分布较为流畅,尾水管进口压力、速度分布基本对称,压力沿径向分布比较均匀,尾水管肘管之前有与转轮旋转方向相同的涡带,涡带在尾水管中发展至尾端,但没有明显的偏心,在扩散段内逐渐减弱.研究结果对高水头水电站的水轮机选择和设计具有重要的指导意义.     

消防水炮主体弯管的绕转结构出口流态分析

采用标准k-ε湍流模型对180 mm管内径的3种绕转结构(传统回转、半回转、大回转)内部流动进行了数值模拟,对比和分析了水力损失和出口流态,其中出口流态参数包括平均湍动能、速度分布曲线和迪恩涡.结果表明:随着弯管曲率R/d的增大,3种形式的水炮主体的水力损失均减小,相同的R/d=1.4情况下传统回转结构具有最小的水力损失,半回转结构水力损失最大;绕转结构的出口速度分布曲线显示,管轴线附近速度低而速度峰值出现在靠近管壁附近,表明出口处流体带有旋转的特点;在R/d=1.4情况下,大回转结构形式的出口具有最小的平均湍动能值,出口流线具有一个顺时针方向的基本涡,与传统回转结构出口涡形态一致,涡量积分后得到的旋涡强度小于传统回转结构.大回转的绕转结构形式有利于后续水炮炮管和喷嘴内部流动.     

基于弱可压缩计算的水泵水轮机超出力分析

为防止超出力工况下转轮内流体流速过高,出现脱流现象,进而导致无叶区压力脉动的升高,研究了水泵水轮机在超出力工况下运行时的水力稳定性.基于非定常、不可压缩流体,建立了三维水泵水轮机水力模型,采用SST k-ω模型对在110%额定功率下运行的模型机组进行数值模拟,预测超出力工况下的水泵水轮机内流场以及压力脉动,对导叶流域的压力脉动演化规律进行分析,并将其与试验结果进行对比.结果表明:在超出力工况下运行时,导叶附近流域压力脉动幅值沿流动方向逐渐增大;在固定导叶与活动导叶之间,压力脉动的主频大小由叶片通过频率的2倍变为1倍;2倍叶片通过频率分量幅值与混频幅值之比在活动导叶流域明显降低.超出力工况下,转轮叶片压力面出现脱流,并且在尾水管中存在1个粗大的涡带,导致机组性能降低.