混流式水轮机尾水管空化流场研究

【摘要】：混流式水轮机尾水管空化涡带引发的压力脉动及振动问题一直是业内关注的热点,对尾水管内空化流场研究具有重要的工程意义。 首先对空化流的数值计算方法进行了研究。以单一翼型为研究对象,采用RNGκ-ε与大涡模拟(LES)两种湍流模型,结合基于均值空化流理论的输运方程空化模型(Singhal完全空化模型与Zwart-Gerber-Belamri空化模型),对不同计算方法所得结果进行了比较。结果表明：采用LES湍流模型与Zwart-Gerber-Belamri空化模型能更加准确的捕捉到空化脱流过程的细节特征。 其次,采用经绕翼型空化流验证的计算方法,对混流式水轮机产生螺旋空化涡带及柱状空化涡带的工况进行了计算。分析了不同空化数下两种涡带的形态演变及压力脉动特征。结果表明,对两种类型的空化涡带,随着装置空化数降低,空化涡带体积波动幅值均增大；不同装置空化系数相比,脉动最大的工况均发生在初生与临界空化工况之间。流场内压力脉动幅值最大的点均位于弯肘内侧。但对螺旋空化涡带工况,尾水锥管内同截面上各周向记录点存在明显的相位差,而柱状空化涡带引起的压力脉动不存在相位差。 分析了尾水管进口流场对空化涡带形态的影响,建立了尾水管进口流量和空化涡带直径的关系。对螺旋空化涡带工况,涡带直径随流量增大而减小,而柱状空化涡带工况则相反。 研究了尾水管内空化涡带对水轮机过流部件内部水力损失的影响,尾水管内出现空化后,由于空泡的体积波动主要发生在尾水管,因此过流部件中损失变化最大的是尾水管。且随着空化系数的降低,损失增加。 同时,还分析了尾水管内涡带引起的压力脉动对转轮域空化的影响,在螺旋空化涡带工况,由于受到尾水管内周期压力脉动的影响,各叶片背面靠近出口边的空化表现出明显的不对称,每个叶片上的空化面积有明显的周期性波动,而柱状涡带工况各叶片上的空化区基本对称。 流场内产生空化后,汽相的存在会改变空化发生区域的波速,并影响系统的响应特征。因此在对整体水力系统的分析中应考虑空化涡带的影响。其中空化柔性及质量流量增益是系统稳定性分析中的两个重要参数,本文最后根据空化两相流的计算结果,获得了两种形态涡带工况下空化柔性及质量流量增益与装置系数的关系。并综合考虑水的柔性得到尾水管内水体的等价柔性与装置空化系数的关系。最后根据等价柔性计算了尾水管中的波速,所得到的波速值与经验公式的计算结果一致。为水力系统稳定性分析中更合理的体现波速及空化的影响提供了定量的参考。