空化流动对可逆式水轮机空载稳定性的影响机理

This program is mainly concentrated on investigating the characteristics of cavitating flow in the reversible pump-turbine during no-load transition and its influence on stability. The main contents are as follows: (1) Experimental study on the flow field in the no-load instability process, including the fabrications of the transparent flow passage components of the pump-turbine, the measurements of the flow fields in the no-blade region, runner and draft tube by advanced flow measurement techniques (such as particle image velocimetry and laser Doppler velocimetry), and the analysis of the vortex structures in the flow field and the characteristics of cavitation evolution; (2) Numerical investigation of no-load destabilized flow, including the establishment of cavitation model with the consideration of latent heat, simulation on the unstable flow field by the method combining LES and cavitation model and the selection of suitable SGS model, and the acquirement of the characteristics of amplitude-frequency of the pressure fluctuation and flow distribution in the flow field and the relationship between the instability and performance curve; (3) Research on the mechanism of no-load stability in the pump-turbine, including the investigation of the destabilization mechanism of the pump-turbine at no-load condition by integrating the results of experiment and numerical simulation, the acquirement of the pressure and velocity fluctuations in the flow field by vortex dynamics theory and nonlinear dynamics method to obtain the mapping relationship of the flow field information, external characteristics and cavitation performance, and some deterministic features, and ultimately the establishment of the theoretical basis for the analysis and control of the stability at full conditions.

本项目旨在研究可逆式水泵水轮机空载过渡过程的空化流动特性及其对稳定性的影响，主要研究内容如下：（1）空载失稳过程的流场试验研究：制作水泵水轮机的透明过流部件，使用先进的流体测量技术如粒子成像测速仪和激光多普勒测速仪对流场无叶区、转轮区和尾水管区进行测量，分析流场的旋涡及空化演化特征；（2）空载失稳流动数值模拟研究：建立修正的考虑汽化潜热的空化模型，使用LES 和空化模型相结合的方法，选取合适的SGS应力模型，进行失稳流场的数值模拟研究，获取失稳流动压力脉动幅频特征、流态分布特征以及失稳过程与性能曲线之间的关系；（3）水泵水轮机空载稳定性机理研究，综合实验结果与数值模拟结果，探索水泵水轮机空载工况的失稳机理，使用涡动力学理论和非线性动力学方法获得流场的压力和速度脉动信息，以期获得内流场信息、外特性和空化性能之间的映射关系及某些确定性特征，为全工况的稳定性分析及控制建立理论基础。

可逆式水轮机不稳定性的根源是水泵水轮机自身存在“S”型水力特性和水泵驼峰区两个不稳定区域。水泵水轮机空载过渡过程不可避免地要穿越“S”特性区，而空载不稳定性主要表现为负荷增加时容易进入反水泵工况，转速波动超过并网要求，机组部件的振动和大轴的摆动加剧。开展可逆式水轮机及其系统稳定性理论的科学研究，对于提高水泵水轮机的运行效率以及保证机组的运行稳定性具有重要的工程价值。.本课题的主要研究内容包括三个方面：首先构建了基于高速摄像的内流场显示试验系统，其次在单相流中考虑近壁面的各向异性的非线性湍流模型和空化流动的空化模型，对具体的计算网格进行加密，并充分考虑实际的运行过程设定相应的边界条件进行数值计算，通过数值计算结果与试验结果对比，验证了计算结果的可靠性和精确性；最后通过上述数值计算及模型试验，对水泵水轮机不稳定过程流动及压力脉动进行了详细的分析，对其不同的外特性、内流场及特殊的压力脉动频率产生的原因进行了分析，并最终利用涡演化分析，总结空载过程的稳定特性。特别指出，通过试验和数值计算方法，提出并分析了不同泄水锥形式及均压孔数量对水轮机工况流动和压力脉动影响，为下一步进行模型优化提供依据。.本项目得到的重要结果包括：1、飞逸工况外特性的动态不稳定特性波动发生在转轮水力矩为零时刻附近，其原因是由于转轮转速的剧烈变化，并存在一个高幅低频压力脉动成分；2、对于甩负荷过程，其整个流域内不同部件测点的压力脉动显示其存在四种特殊的频率成分，并且来源于不同的激励源位置；3、通过对泄水锥形式及均压孔数量变化进行分析发现，填充效应降低了涡带的能量，从而使压力波动幅度明显减小，最优的压力脉动幅值可降低约16%左右。.本项目的关键意义在于为水泵水轮机的水力设计和运行参数优化提供理论支撑。