抽水蓄能机组水泵工况断电过程数值试验与瞬变机理研究

抽水蓄能机组过渡过程品质对水轮发电机组乃至电力系统安全、可靠运行至关重要，是国内外水电行业重要的研究方向。针对水力机械过渡过程试验难度大，而常规数值计算方法主要侧重于管道一元流动分析的现状，本项目拟构建适应多重运动边界及变转速条件下的弱可压缩三维非定常湍流数值模拟方法，开展混流式水泵水轮机组水泵工况断电过程数值试验研究，揭示机组转速、流量、转轮扭矩、转轮径向与轴向水推力，以及导叶水力矩等外特性参数瞬变机理与相关性，并与实测成果进行比较，验证数值试验精度及可靠性；研究断电过渡过程中过流部件关键位置的流速与压力变化，运用动边界涡动力学方法分析三维非定常流动结构的生成与演变规律，及其对机组固体边壁的动力学影响。项目研究成果将促进水力机械过渡过程流动分析与研究理论的发展，为抽蓄机组安全稳定运行提供科学的理论指导。

随着抽水蓄能电站的大规模建设，它的安全性越来越受到人们的重视，而水力过渡过程问题作为威胁电站安全运行的首要因素，由于技术手段的限制，目前还没有被充分研究。本研究建立了抽水蓄能电站包括水泵水轮机组、调压井和输水系统等部件的全过流系统几何模型，采用三维非定常湍流数值研究方法，以稳态工况计算分析为基础，分别对多种过渡过程进行了预测，获得并分析了相应过程电站外特性参数和不同位置压强随时间的变化规律，以及不同时刻流场的演变过程。.主要研究成果和创新点如下：.(1)提出了一种不同区域单相流与VOF模型耦合算法，成功解决由于模型空间大、物理问题复杂等原因导致的单一数值模型无法准确模拟的问题。与常规过渡过程三维湍流数值算法结合，有效提高了过渡过程三维湍流计算的速度和精度。.(2)在抽水蓄能电站泵工况断电停机过渡过程中，电站内外特性变化剧烈，相互影响，会依次经历水泵工况、制动工况和水轮机工况。不同位置的压强变化规律不同，其中转轮与导叶之间压强变化范围最大，瞬时脉动最剧烈。在制动工况，转轮和尾水管内涡流严重，压强分布不均匀，易引发水流空化；当反向流量较小时，叶片径向力会发生波动；当反向流量最大时会发生强烈的水击现象。.(3)在泵工况断电飞逸过渡过程中，抽水蓄能电站会依次经历水泵工况、制动工况、水轮机工况和飞逸工况。在水泵工况和制动工况，电站内外特性变化规律与断电停机过程类似，但水击现象强度较弱。在水轮机工况后期和飞逸工况，叶片径向力和各处水流压强均呈周期性波动，其中低频分量与尾水管螺旋形偏心涡带有关。尾水管涡带产生于制动工况，经历了逆时针贴壁旋转，到脱离壁面形成管状空腔涡带，再到变为顺时针柱状涡带，最后在水轮机工况后期形成螺旋型偏心涡带的变化过程。制动工况和飞逸转轮内涡流的形成成位置不同，前者主要产生于转轮进口，而后者则主要在转轮内部产生。.(4)针对一洞多机的布置形式，选取水力干扰两种典型情况：突甩负荷与突增负荷，从不同的方面研究水力干扰过渡过程对抽蓄电站引水系统的影响情况。.(5)对抽蓄电站全过流系统进行了水轮机工况起动过程和甩负荷过程的三维湍流非定常计算，并对其内流场进行了详细分析。