水轮机内三维旋涡演化规律与水力激振的关联机理研究

The correlation mechanism between unsteady swirl flow and pressure fluctuations in Francis turbines is the crucial way to clarify the hydro excitation mechanism and secure the stable operation of the hydro turbines. Structures and temporal & spatial evolutions of the three-dimensional vortexes and cavitation bubbles are extracted and captured based on multiple vortex and cavitation identification methods. Besides, the pressure fluctuation signals collected with high accurate sensors near the guide vanes, runner blades and draft tube are processed with time/frequency methods to obtain the typical frequencies and its propagation characteristics in the whole flow passage of the turbine. A new simulation method are presented considering the multiple vortex scales and density gradient. Furthermore, the correlation mechanism between unsteady swirl flow and pressure fluctuations is established based on the data of simulations and experiments. Finally, the influence factors of each pressure fluctuations are explained, and effective methods are proposed and improved.

低负荷工况下混流式水轮机内三维旋涡流动与旋涡空化的瞬态演化规律与水压脉动的关联机理是探明水力激振作用的内在流动机理，设计和实施有效抑制方法，实现水轮机组稳定运行内流控制的关键问题。项目以混流式水轮机低负荷工况下的涡流为研究对象，结合先进的流动测量技术与高精度的数值计算方法，研究水轮机内涡流和旋涡空化的非稳态演化特性，深入分析其时空分布特性与全流道内的演变规律，同时利用高精度传感器测量转轮无叶区、尾水管壁面等典型区域的压力信号，并进行时/频域分析，分析各个频段压力脉动在全流道内的传播特点；引入旋涡尺度和密度变化的影响对湍流模式进行修正，提出一套适合水轮机内多尺度旋涡空化流动的模拟方法，结合试验成果，深入分析各流动参数对涡结构和旋涡空化形态演变的影响，构建涡及旋涡空化演化规律与水力激振的关联机理；根据研究结果，分析各个频段压力脉动的影响因素，提出实用的抑制措施，并完善其设计方法。

本项目针对水力发电机组在运行过程中出现的水力激振问题进行了深入研究，通过总结目前国内外模型或真机试验，并结合前期研究，开展了对水轮机内涡流和旋涡空化与水力激振关联机理研究，深入分析旋涡的时空分布特性与全流道内的演变规律，分析各个频段压力脉动在全流道内的传播特点；根据研究结果，提出了实用的抑制措施。.首先，针对多相湍流数值计算方法进行了研究。结合流场的流动特点，基于对流场内不同尺度的旋涡流动、气相带来的可压缩性以及相交界面表面张力的影响，对湍流模型和多相空化模型进行了相应的修正；引入了数值模拟的Lumley验证法，实现了数值计算试验+理论的双重验证。利用NACA0015翼型，对数值计算方法和结果分析理论进行了验证。.其次，采用经翼型空化流动验证的计算方法，对水轮机低负荷工况下产生螺旋空化涡带、叶道涡等进行了计算。结果表明，随着空化数的降低，涡带由单一液相涡带转变为多相空化涡带，除了涡带旋转所诱发的压力脉动之外，空化涡带体积波动诱发了新的脉动。通过熵产理论分析，尾水管是水轮机各部件中产生不可逆能量损失的主要部件，且呈现随着水轮机流量的增加而减小的趋势。.最后，从转轮优化和尾水管挡板两个方面深入分析了水力激振的控制策略。针对旋涡流动和压力脉动关系的认识，提出了一种带有抑涡槽的泄水锥结构，研究结果表明合理设计的抑涡槽结构能够有效降低部分负荷工况下旋涡强度从而抑制压力脉动，而对设计工况和高负荷工况的流动稳定性不产生明显的影响。抑涡槽可以有效改善尾水管直锥段流态分布不稳的情况，进口截面速度分布更加均匀，压力增大，低压区消失，直锥段压力分布均匀，直锥段内的压力脉动降低比率最大，能够明显改善直锥段内的低频压力脉动和削减涡核区域的圆周速度分量，而导流隔板不仅能改善直锥段内部流态，同时使得水平扩散段旋涡消失，能在整体水平上降低尾水管内流体的圆周速度分量和涡带压力脉动幅值。