通气空化及其抑制水轮机压力脉动的研究

抑制和减轻水轮机压力脉动是现代水电工程中的重要研究内容。本项目拟开展通气空化的原理实验，弄清通气空化发展过程中的流动演变特征，同时测量试验物体的力特性与典型部位的压力脉动；参照实验成果，基于动态更新空化核含量的方法改进通气空化的模拟模型，并引入空化特征量对湍流模式进行适当修正，提出一套适合实际复杂通气空化流动的模拟方法；开展水轮机通气空化的高精度数值计算，找到通气空化条件下影响水轮机压力脉动的关键要素；探讨不同运行工况下通气参数、水轮机相关设计因素对水轮机内空化流场及压力脉动的影响规律，总结出一些有效控制压力脉动的具体措施和建议。通过项目研究，不仅可以完善通气空化流动的相关基础理论，也为解决水轮机压力脉动、水下兵器通气减阻等工程问题研究探索新的分析方法。

通气空化流动是一种复杂物理现象，涉及到非定常湍流、相间质量转换、可压缩性等科学难题。但通气空化却有着非常好的应用前景，如通入适量空气可抑制水轮机中强烈的水压脉动，在高速鱼类、水下潜射弹体等水下航行体头部通气可显著减小运动阻力，等。为了拓展通气空化的应用，必需深入了解通气空化的复杂现象及其演化规律，揭示通气空化的内在机理。.本项目开展的主要工作：（1）利用高精度空化水洞开展了通气空化的原理实验，分别细致考察了三维扭曲水翼的附着型空化、云空化、超空化，以及回转体在四种不同通气条件下的空化现象；（2）分别考虑液相与蒸汽、液相与气相的相间界面对主流发展的影响，引入Level Set方法来反映气-液、汽-液界面的表面张力在流动控制方程中的作用，构建了新的通气空化模型。为了反映空化与湍流的交互影响，提出了基于滤波器的密度修正模型，即通过引入混合因子，使之涵盖空化湍流发展和流体密度变化对湍流粘性系数的影响。经与实验数据比较，验证了本项目研究的通气空化湍流模拟方法适用性好，可用于水轮机通气空化的高精度数值模拟；（3）采用溪洛渡电站的水力模型，开展了水轮机非定常流动模拟，分析了低负荷工况下水轮机无叶区、转轮叶片表面和尾水管的压力脉动，并与模型试验结果进行比较。结果表明混流式水轮机低负荷运行工况下，尾水管涡带引起低频压力脉动，其影响可上溯至无叶区。研究揭示了典型部位压力脉动频率与幅值的变化规律；（4）探讨了不同运行工况下通气参数（补气孔位置、补气量）、水轮机相关设计因素（如转轮泄水锥抑涡槽、尾水管抑涡结构）对水轮机内空化流场及压力脉动的影响。结果表明补气有助于抑制尾水管涡带引发的压力脉动，且上冠补气的效果优于主轴中心孔补气；上冠补气不仅可较大幅度抑制压力脉动，也有利于改善水轮机在低负荷运行工况下的能量特性；转轮泄水锥抑涡槽可以缓解低负荷下的压力脉动，但引发满负荷工况下的涡带。.项目研究的通气空化模拟方法不仅成功模拟了水轮机内和绕水下航行体的复杂空化湍流及压力脉动特性，而且可应用于其它领域以解决含非凝聚性气体的流动问题。研究归纳的通气参数与抑涡结构可有效改善水轮机压力脉动，为我国大型电站安全运行提供了有价值的技术支撑。.本项目发表学术论文21篇，其中SCI检索15篇；申请发明专利2项，其中1项已授权；培养博士后1名、博士生4名、硕士生1名。