尾水调压室位置对抽水蓄能电站过渡过程的影响

尾水调压室位置的选择与优化是电站设计中影响调节保证计算的重要因素。基于特征线法针对调压室不同的位置分别建立了某抽水蓄能电站的输水系统和水轮机调节系统的水力-机械数值仿真模型,对由于位置变化带来的机组过渡过程进行敏感性分析。仿真结果表明:当尾水调压室位于岔管之前时,由于布置位置更靠近机组且每条支管都直接与调压室相连,对于相继甩负荷工况下尾水管真空度有较为明显的改善作用;不同大小的阻抗孔面积对于过渡过程计算也有相应的影响。通过调压室位置选择为机组过渡过程中尾水管真空度优化提供了研究思路和依据。     

T形三通管计算模型对尾水进口压力和调压室涌浪的影响

针对含尾水调压室的抽水蓄能电站,以特征线法和瞬变流理论为理论基础,在考虑尾水调压室长连接管水体惯性作用及管壁弹性的基础上,在T形三通管节点处分别建立了基于恒定局部水头损失系数、Gardel公式、试验资料的3种计算模型.结合工程实例,应用T形三通管节点处的3种计算模型对水电站的过渡过程进行了数值模拟;采用Gardel公式和试验资料,计算了过渡过程中不同时刻点的局部水头损失系数,研究了不同计算模型对尾水进口压力水头和涌浪水位的影响.结果表明:基于恒定局部水头损失系数的计算模型其阻抗作用最小,对应的尾水进口最小压力和最高涌浪最大;基于试验资料的计算模型其阻抗作用最大,对应的尾水进口最小压力和最高涌浪最小;基于Gardel公式的计算模型次之.     

CFD在调压室涌浪水位模拟中的应用

对某水电站的尾水隧洞及下游调压室过渡过程中的非恒定流流态进行三维数值模拟,着重观测调压室内涌浪波动及调压室内底板压差变化过程。采用3种湍流模型对下游调压室及尾水隧洞进行了模拟,将调压室涌浪波动过程与调压室底板压差变化过程的三维计算结果与物理模型实验、一维数值计算的相应结果予以对比分析,阐明了不同湍流模型对过渡过程模拟的影响。结合三维模拟能捕捉流场内部流态的优势,探讨了涌浪波动过程中调压室水面波动过程及水流流态。     

尾水管长度对调压室阻抗孔尺寸影响研究

尾水调压室是具有长有压尾水管道水电站的重要水工建筑物,其布置形式主要为阻抗式,选择合理的阻抗孔口尺寸对于充分发挥调压室水力性能具有重要的意义。根据调压室规范给定的阻抗式调压室阻抗孔尺寸的选择准则,采用特征线法结合FORTRAN语言编写程序,模拟并分析了不同尾水隧洞长度对尾水调压室阻抗孔尺寸选择的影响。结果表明:在一定范围内,尾水调压室下游的有压管线长度越长,隧洞水压力会有所增加,尾水调压室水位波动也会加强,而尾水进口到尾水调压室的距离影响不大。当尾水道总长度一定时,尾调越接近下库,所需阻抗孔尺寸越大。结论对工程实际具有一定指导意义。     

基于LabVIEW的泵装置特性的自动测试

针对采用经验公式计算泵装置特性易产生偏差的现状,提出了一种实测泵装置特性的方法.通过吸入管吸水断面、泵吸入口断面以及泵出口断面、阀后断面的能量方程,推导了装置的管路特性公式.采用变频器调节流量,测量公式中相关参数,可以确定管路损失;再测量装置末端压能和所提升的高差,并拟合各数据点,可以得到泵装置的实际特性.用NI虚拟仪器、LabVIEW编程平台组成了测试系统,将推导的模型公式及相关数据编入图形化程序,便能根据数据点自动生成装置特性曲线,实现泵装置特性的自动测试.与传统经验计算所得的特性曲线相对比,本研究所得曲线基本吻合.     

博瓦水电站尾闸室替代尾水调压室计算研究

采用瞬变流计算方法,论证了博瓦水电站不良地质条件下采用尾闸室替代尾水调压室设计方案的可行性,给出了水力计算原理和计算内容。博瓦水电站尾闸室替代尾水调压室后电站调节保证计算满足设计规范要求,机组丢弃负荷后的尾水管最大真空度3.30 m,电站输水系统小波动是稳定的。尾闸室替代尾水调压室可以避免不良地质条件下大尺寸尾水调压室开挖带来的施工风险。     

水泵水轮机飞逸稳定性及其与反S特性曲线的关联

抽水蓄能电站的安全稳定运行与水泵水轮机反S特性直接相关。在电站甩负荷工况下,时有发生调速器事故,导致水泵水轮机导叶拒动,使机组进入飞逸工况。而由于水泵水轮机的反S特性会使得机组参数不能像常规水轮机一样快速收敛,甚至出现振荡的现象,导致事故进一步扩大。针对布置有下游调压室的抽水蓄能电站,采用线性化处理方法获得了水泵水轮机反S特性曲线的传递函数,并建立了流道-水轮机-发电机耦合的常微分数学模型,并进一步推导了水泵水轮机飞逸工况稳定性的判别条件。结果表明飞逸振荡的现象由多种因素共同决定,其中水泵水轮机飞逸点的曲线斜率为关键因素。利用已建立的物理模型平台,对这些影响因素进行了分析,并验证了所得的理论分析结论。     

混流式模型水轮机空化流动分析与试验研究

采用基于气泡动力学的两相流方法,对白鹤滩水电站百万千瓦级混流式模型水轮机进行定常、非定常空化流动分析,并与模型水轮机的空化试验结果进行比较.定常空化流动计算中采取降低尾水管出口绝对压力、减小装置空化系数的方式模拟模型水轮机空化试验过程,流道内压力、速度矢量、气体体积分布分析能够较好地预测水轮机流道内空化的发展特性、叶片空穴区域和尾水涡带空腔的发展过程.非定常空化流动分析能够准确地预测叶片空化和涡带空腔随时间的变化规律以及尾水压力脉动频率,其计算出的振动频率和振幅与试验结果比较相一致,结果显示尾水管空腔涡带随空化发展对压力脉动和机组不稳定运行的影响显著增大,压力脉动也对空化较为敏感,空化越为严重,压力脉动越严重,空化的产生加剧了水轮机内部流场的水力不稳定性.     

尾水洞明满混合流的数值模拟

以一个工程实例,用数值模拟和模型试验两种手段对带有尾水调压室的尾水系统中尾水洞出现明满混合流动的流场进行了分析。使用CFD计算软件Fluent,采用VOF气液两相流模型计算了尾水系统的三维流场,得到了过渡过程中尾水洞明流长度的变化范围,尾水洞顶的压力变化过程以及尾水洞的流态,尾水洞内气泡的生成然后合并溢出的过程。对比分析数值计算与模型试验的结果一致。     

圆形断面明满流尾水系统水力过渡过程研究

为了研究圆形断面明满流尾水隧洞的适用性,本文采用基于改进的虚拟狭缝法一维计算以及基于CFD和VOF模型的三维计算方法,对比了圆形断面与城门洞型断面尾水系统在大波动过渡过程中的水力特性。结果表明,两种断面形状的尾水隧洞明满流分界面波动包括退水、平槽、壅水三个过程,两种断面在水力特性方面并无明显差异。明满流尾水系统明满流界面呈明显的三维波动,三维计算具有明显的波前现象。明满流界面的移动伴随着洞顶气囊的产生、发展、破碎与溃灭,但本文体型的尾水洞洞顶气囊破碎时未产生明显的冲击压力,不会对结构产生较大影响。因此,圆形断面尾水系统在明满流工况下无不利流态,可应用于工程实践。     

贯流式水轮机压力脉动及流场特性数值模拟

鉴于目前国内关于竖井贯流式水轮机压力脉动方面的研究工作较少,以某水电站模型水轮机为对象,运用计算流体动力学(CFD)数值模拟,通过改变水轮机导叶和叶片安装角度,揭示导叶角度与叶片角度的变化对竖井贯流式水轮机能量特性的影响规律。通过采用"Second Order Backward Euler"法对水轮机进行非定常模拟,研究在额定工况、小流量及大流量工况下,竖井贯流式水轮机压力脉动变化特征。计算结果表明:随着导叶角度的增大,水轮机效率先减小后增大,但效率变化范围很小;叶片角度的改变对水轮机效率影响较大,在某一角度下,水轮机达到高效率点,并基本保持稳定。额定工况下,压力脉动从进水流道到转轮区,脉动频率基本稳定,出水流道的脉动频率会有所增加,且由尾水管部分产生的压力脉动由尾水管到转轮区、导叶区向前部传递。本文的研究工作为预测竖井贯流式水轮机能量及压力脉动特性提供参考。     

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.     

组合工况下的调压室最高涌浪计算

具有调压室的长引水发电系统运行工况复杂,组合工况下调压室涌浪幅值往往大于常规工况。从调压室基本微分方程出发,利用非线性振动渐进法理论,结合已有甩负荷涌浪计算的显式公式,推导了阻抗式调压室在先增后甩组合工况下最高涌浪的计算显式公式。该公式不仅具有较高精度,而且形式简单,便于工程应用。     

基于真机试验的尾水管压力脉动研究

尾水管的压力脉动特性是混流式水轮机运行稳定性的重要评价指标,研究其特性对于解决由水力因素引起的机组不稳定问题具有重要意义。为掌握尾水管的压力脉动特性,以国内某水电厂200MW混流式水轮机为对象,采用真机试验的方法进行全范围变负荷试验。试验数据表明,在部分负荷区域尾水管内部存在较大的压力脉动,其对机组摆度有一定影响,但对机组振动影响甚微。     

非标准马蹄形断面水力计算研究

以滇中引水工程楚雄段-昆明段非标准马蹄形断面为研究对象,采用几何分割法对该马蹄形断面的水力要素进行了推理,推导出任意水深所对应水力要素表达式。同时,采用三分试算法计算了该断面正常水深,试算过程采用C#编程来实现。考虑到马蹄形断面正常水深计算的复杂性,采用拟合优化原理推导出正常水深的直接计算公式。计算结果表明：在该公式的适用范围内计算该断面正常水深的最大相对误差为0.496%,同时整个计算区间内89.3%以上计算点相对误差小于0.24%,精度相对较高,可以满足实际工程的需要。     

西藏地区某水电站水轮机主要参数选择及模型验收试验

针对西藏地区某水电站海拔高、气温低、泥沙含量较大的特点,结合电站工程特性及类似工程实际经验,对水轮机设计参数的选择进行了探讨,并将上述水轮机参数提供给机组制造厂家用以开发水轮机模型转轮。为验证水轮机参数的合理性及水轮机模型的水力特性,进行了水轮机模型验收试验,试验结果表明水轮机参数选择合理先进,开发的水轮机模型转轮具有良好的重复性,模型水轮机的各项水力性能指标均满足合同要求,上述成果可为同类型水轮机的选型设计提供参考。     

贯流式水轮机低频脉动及尾水管涡带特性研究

为了研究贯流式水轮机内部低频压力脉动特性,针对某电站贯流式水轮机进行了非定常数值计算,分析了不同工况下水轮机内部的压力脉动特性,揭示了贯流式水轮机低频压力脉动产生的机理,并提出了改善低频脉动的方案。研究表明,在额定工况和小流量工况下,水轮机内部的压力脉动主要受到叶片通过频率(5.26 Hz)以及低频脉动(0.20 Hz)的影响,低频脉动的幅值从水轮机进口到出口逐渐增加,且小流量工况的低频压力幅值较额定工况高;不同工况下,水轮机尾水管内均存在一个与转轮旋转方向一致的螺旋状偏心涡带,该涡带按一定周期演变,其对应频率为0.22 Hz,与低频压力脉动频率(0.20 Hz)较为接近,因此可以说明该水轮机内部的低频压力脉动是尾水管涡带引起的;为了减小水轮机低频压力脉动系数幅值,提出了一种在尾水管内增设导流板的方案,该方案能有效降低由尾水管涡带引起的低频压力脉动系数幅值,导流板通过降低尾水管内的涡带能量,达到消涡目的。研究结果可为贯流式水轮机组的稳定运行提供依据。     

水泵水轮机增负荷过程尾水管内流场分析

为了研究水泵水轮机增负荷过程中尾水管内的瞬态流动特性,基于 Fluent 动网格模型对模型水泵水轮机增负荷过程进行了全流道数值模拟．根据模拟结果,重点分析了尾水管内流场结构的演变过程．结果表明：负荷增加过程中,尾水管内锥管段至肘管段末端的压力变化规律基本相似．静压值的突增和剧烈波动过程仅发生在开度变化的初始阶段（0～0.9 s）．当0.9 s 以后,波动平均值不超过9.76 kPa,静压基本保持稳定;此外,发现开度较小时尾水管内存在明显的涡带和回流涡结构,容易导致机组运行的不稳定;随着开度的增大,尾水管内流态逐渐平稳,说明流量的增大会使得尾水管内流动更加流畅．     

射水减弱混流式水轮机尾水管内压力脉动的数值模拟

选用RNGk-ε湍流模型,对一台混流式模型水轮机在部分负荷工况下的流动进行了全流道三维瞬态湍流数值模拟.数值计算结果与模型试验结果进行了比较,成功预测了水轮机尾水管内压力脉动的幅值与频率特性.从混流式水轮机泄水锥处向尾水管内射水可减弱尾水管内低频压力脉动,对射水后水轮机内的流动进行了数值模拟.计算结果表明,通过射水可以有效减弱尾水管内的压力脉动,减小压力脉动幅值.随着射水量的增加,压力脉动幅值减小更加明显,但是同时会导致水轮机效率的下降.为了尽可能大的减小压力脉动幅值,并兼顾水轮机效率,建议选择0.03～0.05倍该工况流量的射水量.此时,水轮机压力脉动幅值降低明显,而水轮机效率下降不大.     

水轮机泥沙磨损两相湍流场数值模拟

为研究水轮机内部泥沙磨损的固液两相流动特性,应用基于计算多相流动力学理论中欧拉-欧拉方法的代数滑移混合多相流模型,采用多面体网格技术、标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型,对混流式水轮机全流道进行了三维定常泥沙磨损两相湍流场的数值模拟.利用商业CFD求解器ANSYS Fluent,获得了小开度工况下水轮机泥沙磨损发生的部位与程度,分析水轮机流道内泥沙磨损的特征规律,其中叶片上泥沙颗粒分布模拟结果与真机转轮实际磨损情况相符,表明该方法可以准确预测水轮机各过流部件的泥沙磨损情况,对揭示泥沙颗粒与水相互作用的固液两相湍流场诱发水轮机振动的影响机理及解决工程实际问题具有重要的意义,而且具有较高的工程应用价值.