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.     

理想状况下涡流发生器尾涡特性

采用大涡模拟技术计算了理想工况下54种涡流发生器的水动力特性,以尾涡大小、尾涡间距和尾涡强度作为衡量参数,依次分析了3种流速、3种几何尺寸和6种安装角度时涡流发生器的尾涡特性,并用粒子图像测量方法对计算结果进行了验证.研究结果表明:反向涡与水流方向的夹角远大于同向涡与水流方向的夹角,并且随着涡流发生器与涡旋间距离的增大,各夹角先增大后减小,直至同向涡和逆向涡合并到同一条直线上;随着涡流发生器安装角度绝对值的增大,尾涡大小和强度均线性增大,并且一对涡旋内同向涡和反向涡之间的距离增大,相邻两对涡旋之间的距离逐渐减小;随着流速的增大,尾涡强度显著增大,但各个涡旋之间的距离不变;随着涡流发生器安装边长度的增加,组内同向涡和反向涡之间的距离逐渐增大,但湍动能的分布区域大致相同.     

灯泡贯流式水轮机尾水管流动特性分析

采用基于气泡动力学的两相流方程,对灯泡贯流式水轮机进行全流场的非定常湍流数值模拟,计算了在大流量工况下水轮机内部发生空化时的能量特性和尾水管内涡带的演变特点。计算结果表明:当水轮机在大流量下运行时,尾水管会出现"柱状"空腔涡带,随着时间的变化,空化涡带体积发生大幅度增加,在涡带尾部有"环形水跃"现象出现,此时在尾水管内壁处压力脉动也随之增大;在不同的空化系数下,压力脉动从转轮出口处开始增加,由于空泡的体积波动主要发生在尾水管内,因而压力脉动振幅在尾水管内达到最大,压力脉动会沿着尾水管向下游传播,逐渐减小;尾水管内压力脉动以低频为主,涡带主频为转频,其余频率由涡带公转产生的以2~5倍主频的次频。     

尾水管加装整流筒后对其内部流态的影响

通过在尾水管的通道内设有前后两端开口的整流筒,利用CFD技术对典型工况进行了对比模拟研究,探究了加装整流筒前后对尾水管内部流态的影响.研究结果表明,在典型工况下,尾水管出口断面的压力分布相对比较均匀,整流筒直径为1.05D₁时,压力升高最明显.计算了在不同条件下尾水管整流筒进口断面位置中心到壁面静压分布、整体轴中心截面压力分布以及监测了尾水管整流筒在进口处断面壁面上记录点的压力脉动随时间的变化情况.研究显示:整流筒直径为1.05D₁时对改善尾水管内部压力场分布和抑制空化带来的影响起到了积极作用,安装整流筒的尾水管中轴面压力梯度减小,在尾水管的进口截面旋涡分散且数量减少,同时减小了中轴心与尾水管壁面的压差,尾水管的流场稳定性增加.     

上游扰动条件下尾水管涡带演化和压力脉动研究

尾水管涡带是混流式水轮机流动不稳定的表征,严重时甚至会导致机组疲劳破坏。为准确捕捉不同工况下尾水管内流体流动的瞬态湍流特性,采用滑移网格技术以及SST k-ω湍流模型,通过现阶段最新进展的Liutex涡识别方法对尾水管涡带进行捕捉并对比分析,着重分析了不同来流对尾水管涡带的形成、发展、破裂和低频压力脉动的影响。结果表明：与文献实验结果的对比,验证了结果的准确性;上游不同来流条件下,尾水管涡带形态各异。最优工况时仅形成一个稳定的旋流结构,即纺锤形涡带,对流场影响较小。流量降低到设计流量的81%时,形成螺旋形涡带,涡带的偏心运动对主流产生了较大干扰作用,涡流、回流和流动分离等不稳定现象明显。由于涡带对主流的排挤作用,造成涡带与壁面之间出现明显的高速区,平均脉动压力系数幅值也比最优工况增加了1.36~4倍,压力脉动呈现出典型的低频、高幅特征;随着开度的继续降低,涡带体积大幅度增加,形成一个较大的空腔涡带,占据流域范围较广,与肘管壁面发生直接“冲击现象”;开度越小尾水管内产生的涡流越杂乱,流场越不稳定,当开度降至最低时,有形涡带消失,破碎后的杂涡充据着整个直锥段和弯肘段。     

上游扰动条件下尾水管涡带演化和压力脉动研究

尾水管涡带是混流式水轮机流动不稳定的表征,严重时甚至会导致机组疲劳破坏。为准确捕捉不同工况下尾水管内流体流动的瞬态湍流特性,采用滑移网格技术以及SST k-ω湍流模型,通过现阶段最新进展的Liutex涡识别方法对尾水管涡带进行捕捉并对比分析,着重分析了不同来流对尾水管涡带的形成、发展、破裂和低频压力脉动的影响。结果表明：与文献实验结果的对比,验证了结果的准确性;上游不同来流条件下,尾水管涡带形态各异。最优工况时仅形成一个稳定的旋流结构,即纺锤形涡带,对流场影响较小。流量降低到设计流量的81%时,形成螺旋形涡带,涡带的偏心运动对主流产生了较大干扰作用,涡流、回流和流动分离等不稳定现象明显。由于涡带对主流的排挤作用,造成涡带与壁面之间出现明显的高速区,平均脉动压力系数幅值也比最优工况增加了1.36～4倍,压力脉动呈现出典型的低频、高幅特征;随着开度的继续降低,涡带体积大幅度增加,形成一个较大的空腔涡带,占据流域范围较广,与肘管壁面发生直接“冲击现象”;开度越小尾水管内产生的涡流越杂乱,流场越不稳定,当开度降至最低时,有形涡带消失,破碎后的杂涡充据着整个直锥段和弯肘段。     

基于Omega涡识别方法的径流式水涡轮尾水管涡带特性

为了研究水涡轮尾水管的涡带特性与Omega涡识别方法对尾水管涡带的识别效果,对比了Q准则和λ₂准则以及Omega涡识别方法对尾水管涡带的识别效果,并基于Omega方法和降维的Omega方法分析了不同工况下尾水管的涡带特性.结果表明：对于径流式水涡轮,通过合理调整阈值,Q准则和λ₂准则以及Omega涡识别方法均能识别到清晰合理的尾水管涡结构,而Omega方法阈值选取区间较小且具有不敏感性;水涡轮尾水管在小流量工况时会出现较长的涡带,不利于机械的稳定性.同时运用二维Omega涡识别方法与拟涡能指标,在不同工况下对尾水管各监测面进行定量分析,确定涡量浓度高的区域,研究尾水管的能量耗散规律.结果发现,尾水管进水口到弯管之间的区域涡量浓度最高,能量耗散最大,流态最不稳定,这可为该型式水涡轮的结构优化提供理论参考与数据支撑.     

一管双机式混流式水轮机压力脉动预测与振动分析

针对一根引水管带多台水轮机的水力振动问题,采用不可压缩流N-S控制方程结合Realizable k-ε紊流模型对一管双机式混流式水轮机非恒定流动进行全流道三维数值分析。得到了水轮机在不同工况下的压力场、不同测点位置的压力脉动、尾水管涡带变化规律,并对压力脉动进行了频谱分析,获得了不同工况下的压力脉动主频和功率谱密度值。计算结果显示,尾水管涡带引起的压力脉动幅值最大,其功率谱密度值也远大于其他部位的值,表明尾水管涡带是引起机组产生振动的主要原因;且两台机组尾水管涡带压力脉动的模拟结果存在一定的差异。计算成果可以为电站的振动问题的处理提供参考。     

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。     

混流式水轮机尾水管旋涡流的LES

基于N－S方程和大涡模拟（LES）模型，采用贴体坐标和四面体网格系统，用SIMPLE算法求解，对混流式水轮机内部流动进行了三维非定常紊流计算，较准确地预测了一混流式水轮机在各工况下的内部流动，尤其是尾水管和转轮内的旋涡流动。     

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。     

尾水管的改型设计与CFD分析

结合伊朗塔里干电站项目，将普通尾水管改型设计成窄高型尾水管。根据不同的来流条件，分别计算了三种工况，并通过CFD分析比较得出：虽然窄高型尾水管比普通尾水管回能系数略小，即效率略小，但窄高型尾水管内的涡带比普通尾水管小，表明尾水管中的压力脉动小，其运行的稳定性好，窄高型尾水管可以代替普通尾水管。     

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.     

超短竖井式进/出水口的水力控制

弯道后的水流调整不好,可导致进/出口存在严重偏流和水头损失增大.为了保证竖井式进/出水口的配水均匀性和水力稳定,采用三维RNG k-ε紊流模型,对某抽水蓄能电站上水库盖板竖井式进/出水口进行了数值模拟,并进行了模型试验验证.重点对比研究了竖井扩散段采用椭圆曲线与渐扩锥管两种形式在抽水工况出流时的流动特性.计算结果显示,渐扩锥管的配水均匀性和稳定性均好于椭圆曲线扩散管的.对比分析了弯道后渐扩锥管扩散角分别为4.3°,5°和7°时的配水均匀性,计算结果显示竖井式进/出水口应尽可能控制扩散段的扩散角,防止出现偏流;在弯管段后的扩散段的扩散角宜小于4.5°.采用物理模型对推荐体型进行了验证,模型试验显示按照推荐体型设计的进/出水口配水均匀,双机抽水工况下总水头损失系数为0.48;双机发电工况下,总水头损失系数为0.33.     

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.     

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.