二阶斯托克斯非线性潮波对潮汐贯流式水轮机性能的影响

双向贯流式水轮机在潮汐能开发中的应用广泛。在海洋波流条件影响下,潮汐能机组在反向运行过程中的水动力性能变化是潮汐能机组研发过程中需要考虑的重要问题。该文采用二阶斯托克斯非线性潮波对海洋潮波来流进行了模拟,建立了二阶斯托克斯非线性潮波边界下的潮汐贯流式水轮机性能分析模型并验证了模型的可靠性。以该模型为基础,采用CFD方法,对某一潮汐贯流式水轮机在反向运行时的内部流动进行数值仿真,重点研究了动态波流边界对贯流式水轮机反向运行时水力特性的影响。研究结果表明:1)考虑波流耦合作用时,潮波与坝体发生碰撞后损失了大部的动能,形成的反射波流,覆盖下一个波峰前的气体形成大气泡进入海洋内部;2)来流潮波与坝体壁面反射潮波的相互作用是形成潮汐贯流式水轮机取水口处夹气涡的原因,形成的夹气涡在液面下旋转前进流入内流场黏附于流道上侧,压缩流场过流面积,形成了一个低压低速的夹气涡流动带,从而改变内流场流动分布和贯流机组的特性;3)动态波流的作用使得潮汐贯流式水轮机转轮叶片上的受力呈现较大幅度波动,叶片受力的低频幅值会随着夹气涡的发展而逐渐增大。同时,在波流影响下机组出力的波动幅度达到3.86%,远高于无波流作用下的不足1%,从而导致电能质量下降。     

贯流式水轮机飞逸过渡过程瞬态特性CFX二次开发模拟

当水轮发电机组处于飞逸状态时,水轮机内部会出现严重的不稳定现象,容易引起机组的振动。贯流式水轮机因为水头低、流量大、通道短等特点,其过渡过程与常规的立式水轮机有许多不同之处。基于此,该文通过CFX16.0和Fortran程序的二次开发建立了水轮机飞逸过程的数值计算方法,对贯流式水轮机的飞逸过程进行了数值模拟,获得了转速、流量、力矩、轴向力等外特性参数在飞逸过程中的变化历程以及水轮机内部流场的动态特性。结果表明:计算得到的最大飞逸转速为2 190 r/min与试验测得的结果较为接近,误差不超过2.5%,验证了该数值方法的可靠性;飞逸过程中其余外特性参数的变化规律均符合高比转速水轮机飞逸过程的流动规律;在飞逸过程中,由于转速和流量的增加使得水轮机转轮进口相对液流角降低,水流在叶片吸力面进水侧靠近叶缘处发生撞击形成高压,在叶片压力面进水侧叶缘处出现脱流产生负压,并随着转速的升高,高压区和低压区逐渐增大,转轮叶片受力变得极为不均匀容易引起疲劳破坏;同时,转速的增加使得转轮出口环量增加,在尾水管内部将会形成偏心的螺旋涡带,引起了强烈的低频压力脉动,振幅最大可达到试验水头的104%,不利于机组的安全稳定运行。     

基于TBR模型的高水头混流式水轮机水力性能预测

叶轮机械的瞬态计算对于捕捉转子与定子之间的周期性扰动是十分必要的。为了避免共振,转子与定子数目一般是互质的,使得周期性边界条件失效,瞬态模拟必须对全通道进行计算,以保证转子与定子之间的螺距比为1,从而确保上下游信息的准确传递,因此计算资源消耗较多。该文基于k-ωSST湍流模型,分别采用传统全通道计算方法、TBR(transient blade row)模型中的单通道PT(profile transform)方法以及双通道FT(fourier transform)方法,对Francis99混流式模型水轮机进行了性能及负荷预估,并与试验值作对比。PT方法通过在交界面上按照角度比进行变量的比例缩放而保持上下游通量的守恒,FT方法采用傅里叶级数的相变周期性边界条件来解释转子与定子之间螺距比不为1的问题,对周向边界和转静边界进行求解历史的重构。数值计算采用变量边界条件(profile boundary conditions-PC)进口给定质量流量及速度方向矢量,出口给定静压。与试验值作对比,全通道计算法、PT方法以及FT方法均能较准确地预测水轮机效率、不同测点平均压力,而且3种数值方法获得的流道内压力及叶片负荷分布差别不大。FT方法计算的叶片合力及扭矩随时间变化与全通道比较一致,仅仅在变量脉动上小于全通道,而PT方法在脉动及频率上均存在较大偏差。压力脉动频谱特性方面,FT方法与全通道主频及幅值接近,且与试验结果比较吻合,而PT方法由于交界面上变量的缩放,静止域与旋转域内均捕捉到叶片通过频率,且幅值低于全通道及试验值。此外,相同计算条件下,全通道计算、PT方法以及FT方法计算所需时间比为1:0.375:0.23。综合评估分析,FT计算结果与全通道以及试验结果一致且消耗更少的计算资源,在水轮机的瞬态计算有一定的潜力和优势。     

基于LDV的离心泵小流量工况内流场测量

为了研究离心泵中的脱流现象,利用二维激光多普勒测速仪对一低比转数带导叶扩压器离心泵叶轮在4种小流量工况下(0.75Qd,0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd)的内部流动进行了精确测量.基于测量结果,得到了各种工况下测量点上的相平均速度场和湍流强度场.通过分析测量结果发现在工况0.75Qd下,叶轮内没有脱流发生.而在工况0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd下,叶轮流道中呈现"两流道"脱流现象:相邻两个叶轮流道中的脱流大小和类型完全不同,但此时脱流呈现出120°的周期性,这可能与叶轮叶片数和扩压器导叶叶片数的比率(6∶9)有关.此外,对比分析了各种工况下各个速度分量和湍流强度的分布规律.结果显示:离心泵叶轮内的湍流强度随着流量的减小而增大.在离心泵叶轮出口附近,流量为0.75Qd时,最大湍流强度达到0.06(基于叶轮出口圆周速度u2);而对于工况0.50Qd,0.40Qd和0.30Qd,其最大湍流强度达到了0.12～0.14.     

多级轴流泵内叶轮时序效应数值模拟

为研究多级轴流泵内转子时序效应对水泵性能影响,以首、次级叶轮相对角度θ为0°时作为基准,将次级叶轮沿叶轮旋转方向,每9°旋转为一个时序位置,在不同时序位置时用CFD方法对多级泵内流动进行三维非定常数值计算,并对不同时序位置处压力脉动以及叶片载荷分布进行分析.结果表明:以时序位置θ为0°的计算结果作为基准,时序位置θ为36°时泵扬程变化最大为4.6%,此时效率变化率达到1.2%;首级叶轮出口压力脉动幅值和相位受压力脉动影响有微小波动,其中首级叶轮出口压力脉动幅值最大减小16.31%;次级叶轮出口压力脉动幅值、平均时域值、相位都受到一定程度影响,此时压力脉动幅值最大增长48.27%,平均时域值增长1.34%;次级叶轮压力载荷分布,不同时序位置处载荷分布规律相同,时序位置为9°时的叶片上载荷分布明显高于其他时序位置时叶片上载荷分布.     

叶片低压边的轴面位置对高水头水泵水轮机空化性能的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3个具有不同低压边轴面位置的叶片。然后采用数值模拟方法对3个转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下转轮的能量特性、流动特征及空化形态。研究表明,在一定范围内,叶片低压边轴面位置前移可以改善大流量水泵工况下转轮叶片进口的脱流情况,从而提高大流量水泵工况的扬程和空化性能。低压边轴面位置的后移,使得水轮机设计工况和满负荷工况的水力效率降低,但是改善了水轮机大流量工况的空化性能;并且叶片低压边轴面位置后移可以改善小流量工况下叶片进口的来流均匀性,从而提高小流量水泵工况的空化性能。相比而言,低压边在上冠型线位置的直径与转轮直径之比为0.4998的第2种低压边位置转轮在水轮机和水泵2种工况下都表现出比较好的空化性能,满足设计要求。     

叶片高压边安放角对高水头水泵水轮机性能的影响

基于低比转数混流式转轮设计程序,在保证转轮其他参数一致的条件下,分别设计了3个具有不同高压边安放角的叶片,并采用CFD技术对3个转轮分别进行了5个水轮机工况和5个水泵工况的全流道数值模拟,分析了叶片高压边安放角对水泵水轮机能量特性、水轮机工况转轮的来流和水泵工况转轮与活动导叶的动静干涉现象的影响.研究表明,水轮机工况下,数值计算的叶片冲角绝对值大于给定冲角的绝对值,叶片的负冲角越大,导致转轮进口撞击越剧烈,引起水轮机工况水力效率略有下降,但是对转轮内流态扰动很小.水泵工况下,叶片高压边安放角越大,与其相匹配的活动导叶转角越小;由于安放角2叶片与14°转角的活动导叶和固定导叶三者相匹配,其水力效率相对最高;而其他3种高压边安放角叶片由于不匹配,内部流场出现了撞击、脱流和回流等不稳定现象,引起水泵工况水力效率的严重下降.     

混流式水轮机主轴中心孔补水对尾水管性能的影响

混流式水轮机在低负荷工况下运行时,尾水管内出现旋转的偏心涡带,会引起强烈的压力脉动和振动,严重威胁厂房的安全。为了使机组稳定运行,该文提出了一种通过从上冠泄水锥引入高压补水的方法来降低尾水管的不稳定性。该文首先采用商业软件CFX16.0,对某电站混流式水轮机在低负荷工况下进行了可靠而准确的全三维非定常数值模拟,结果表明在该工况下尾水管内部存在明显的偏心涡带,并伴随着振幅较大的压力脉动,这与试验结果相吻合。其次,对该工况下不同补水流量进行了数值模拟计算,研究表明:尾水管内补高压水可以有效降低尾水管内部的流动损失,且随着补水量的增加而越小,但过大的补水量会引起叶片正背面压力的降低,影响水轮机的空化性能,故补水量的大小必须综合考虑;主轴中心孔高压补水可以增加转轮出口的轴向速度,从而改变涡带内速度场的分布,可有效消除回流现象,当补水流量过小时,抑制回流作用不明显;当补水量为进口流量1%时,尾水管内部压力脉动振幅变化不大,改善效果不明显;当补水量为进口流量3%时,尾水管内部涡带由双螺旋变成单螺旋,锥管段压力脉动振幅不减反增,不稳定性有所加剧;当补水量为进口流量5%时,尾水管内部压力脉动振幅从18.4%降低至1.63%,同时改变了压力脉动的主频,使其远离转轮主频,避免发生共振,提高了机组的稳定性。     

混流式水轮机转轮设计变量耦合强度分析

在开展混流式水轮机转轮的多学科优化时通常需要进行设计变量的学科耦合强度分析,以便为建立简洁、高效的多学科优化求解策略提供依据。该文提出了一种基于全局相对灵敏度的转轮设计变量耦合强度分析方法,该方法基于参数化全三维反问题设计理论实现对转轮几何的参数化控制,并通过改进后的MorrisOAT法进行各学科目标函数对转轮设计变量的全局相对灵敏度计算,然后以各设计变量的全局相对灵敏度集合为论域,引入模糊隶属度函数量化计算设计变量对各学科目标函数的隶属度。最后,以各设计变量的隶属度值为基础,提出了设计变量的耦合强度判定准则,为设计变量的耦合程度属性确定提供了参考。采用该文所提出的分析方法对某混流式水轮机模型转轮的设计变量开展了耦合强度分析,并根据变量的耦合强度分析结果开展了转轮的优化设计,优化后的转轮不仅使得水轮机在3个优化工况下的水力效率分别提高0.2%、0.82%和1.2%,同时叶片的空化和强度性能也得到改善,该结果表明该文所提出的混流式水轮机转轮设计变量耦合强度分析方法能可靠有效的界定各设计变量的耦合程度属性,从而验证了方法的可行性。     

不同进气方式下气力提升泵水力特性理论模型与验证

为了深入研究气力提升泵的提升性能,该文首先进行了理论分析,建立了适用于不同进气方式的气力提升模型。同时通过改变进气面积与气孔分布方式进行试验研究,试验结果与理论分析结果吻合较好,该模型在一定范围内能够较好地预测提升泵的提升流量;并且根据试验结果,进一步分析了不同进气方式对气力提升泵的液体提升量与提升效率的影响规律。结果表明:首先,7 mm方形喷嘴进气方式下,随着气流量的增加,提升液体流量先较快增加,之后上升趋势逐渐变缓,提升效率先迅速升高,达到峰值后又下降,而沉浸比升高会使峰值效率提高。其次,沉浸比为0.5时,不同进气面积下,较小的进气面积导致提升效率降低;在相同进气面积下,不同的气孔排布方式对提升液体流量与提升效率的影响并不明显。再次,当管内流型接近弹状流型时,提升效率较高,稳定性较好;在环状流下,提升泵的效率最低,稳定性差。