流固耦合框架下混流式水轮机三维水力暂态过程研究

Unsteady flow in hydraulic transition process of Francis turbine is one of the important factors induced instable vibration of hydraulic units, which is also an key issue to ensure the stable operation of hydraulic units.As three-dimensional hydraulic transition process of Francis turbine the research object, based on the theory of immersed boundary method,and considered the influence of movement of guide vane and fluid induced vibration of runner blade on the flow,the coupling mathematical model of the transition process between turbulent flow,elastic blades, and rigid guide vanes are establishment. In the framework of multi-system coupling, based on the Vreman subgrid dynamic model and the finite volume method, the large eddy simulation and the immersed boundary method are used to solve the coupled system. The complex turbulent flow around the guide vane considered on the disturbance of vibrating runner blade is simulated, and the spatio-temporal distribution of pressure and velocity as well as the hydraulic load (water torque) characteristics acting on the runner are gained at different transient process. Analysis of the characteristics of pressure pulsation, cavitation and vortex structure at some key parts of flowing passage is done, furthermore, the coupling relation between the complex flow due to the movement of guide vane as well as the disturbance of vibrating blade and hydraulic load acted on the runner is achieved. The key factors affected on the stability of the hydraulic unit at hydraulic transient process are discovered and new methods and new criterions for characterization of the unit stability are looked for.

水力暂态过程中的非定常流动是诱发机组振动的重要因素之一，直接关系到机组稳定安全运行。为此，本项目以混流式水轮机水力暂态过程为研究对象，基于浸入边界法的建模思想，将弹性转轮叶片流激振动和活动导叶大幅运动对流场的影响以附加动量源项的形式加入描述叶道流动的Navier-Stokes方程，建立流固耦合框架下描述水力暂态过程的三维流动控制方程。采用基于Vreman亚格子动态模型的大涡模拟方法和有限体积的浸入边界方法求解耦合系统。模拟受活动导叶大幅运动和转轮叶片微幅振动扰动下叶道内复杂湍流流动，获取不同暂态过程中压力、速度等流动参量的时、空变迁特性和作用于转轮上的水力载荷（水力矩）特性。分析不同暂态过程中流道内关键过流部位的压力脉动、空化和涡结构特征，以及转轮叶片动力响应和作用于转轮上的水力载荷与导叶动态绕流之间的耦联关系。揭示水力暂态下影响系统稳定性的关键因素，寻找表征机组稳定性的新方法和新判据。

水力暂态过程中的非定常流动是诱发机组振动的重要因素之一，直接关系到机组稳定安全运行。本项目以混流式水轮机水力暂态过程为研究对象，基于浸入边界法的建模思想，将活动导叶大幅运动对流场的影响以附加动量源项的形式加入描述叶道流动的Navier-Stokes 方程，建立了描述水力暂态过程的三维流动控制方程。采用大涡模拟的有限体积法求解耦合系统。模拟受活动导叶大幅运动下叶道内复杂湍流流动，获取不同暂态过程中压力、速度等流动参量的时、空变迁特性和作用于转轮上的水力载荷（水力矩）特性。.研究工作取得了显著的成果，发表学术论文14篇，授权发明专利1项，撰写学术专著1部，获云南省自然科学二等奖1项（排名第2）。项目的研究成果主要集中在以下四个方面。（1）刚体与流体耦合运动的投影浸入边界法研究。在水力暂态过程中，活动导叶调节产生大幅主动运动，其本质上涉及刚体与复杂湍流的耦合作用。课题组利用反馈力函数和自适应网格加密技术，采用浸入边界法实现单个活动导叶动态旋转摆动的数值模拟和不同攻角下水轮机双列叶栅动态绕流的数值模拟，并探讨了导叶诱发的尾迹涡的演化过程。（2）柔性体与流体耦合运动的自适应浸入边界法研究。在水力暂态过程中，转轮叶片受来流不均等的影响，产生流激振动，其本质上涉及弹性体与流体的耦合作用。课题组有效结合传统的反馈力方法和混合有限元浸入边界方法，研究了基于浸入边界的流固耦合方法，并以圆柱和方柱绕流后柔性悬臂梁流固耦合振动问题为数值算例，验证数值方法的可靠性。（3）混流式水轮机水力暂态过程的研究。课题组借助浸入边界法的思想，将活动导叶的大幅主动运动对流场的影响以动量源项的形式加入到描述叶道流动的Navier-Stokes 方程中，在流固耦合框架下建立了描述水力暂态过程的三维流动控制方程和数值求解方法，实现了单个活动导叶三维动态旋转摆动下叶道内复杂湍流的数值模拟。通过数值模拟获取活动导叶匀速连续开、关过程中涡量等流动参量的时变特性和作用于转轮上的水力载荷特性。（4）完成混流式水轮机双列线性叶栅非线性运动下叶片表面代表点的压力测试。.本课题的研究在于探索水力机械暂态过程中流体结构相互作用机理，支撑水力机械及其系统的发展。