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关于水轮机尾水管的旋涡流动计算与分析 *

关于水轮机尾水管的旋涡流动计算与分析 *. 张日葵 毛 峰 吴介之. 北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室. 合作者：清华大学热能系吴玉林课题组. * 国家自然科学基金重点项目. 主要内容. 1. 研究背景； 2. 数值计算方法； 3. 尾水管流动分析； 4. 结论。. 1 研究背景. 1.1 巨型水轮机组简介. 发电厂. 转轮. 蜗壳. 尾水管. 水轮机主要参数 （ VGS ） 额定水头 ： 85.86 m 最大水头 ： 113 m 最小水头 ： 71 m 额定流量 ： 1000 m 3 /s 额定功率 ： 767 MW

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关于水轮机尾水管的旋涡流动计算与分析 *

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  1. 关于水轮机尾水管的旋涡流动计算与分析 * 张日葵 毛 峰 吴介之 北京大学湍流与复杂系统国家重点实验室 合作者：清华大学热能系吴玉林课题组 * 国家自然科学基金重点项目

  2. 主要内容 • 1.研究背景； • 2.数值计算方法； • 3.尾水管流动分析； • 4.结论。

  3. 1 研究背景 • 1.1 巨型水轮机组简介

  4. 发电厂 转轮 蜗壳 尾水管 水轮机主要参数（VGS） 额定水头：85.86 m 最大水头：113 m 最小水头：71 m 额定流量：1000 m3/s 额定功率：767 MW 额定转速：71.4 rpm 转轮直径：9.8 m 转轮重量：407 t [1] 哈尔滨大电机厂提供。 三峡左岸电站水轮机组模型 [1]

  5. 1.2 巨型混流式水轮机组中主要的水力稳定性问题 （1）高频振动 原因： 导叶后、转轮叶片之间以及叶片后的涡流、导叶数与转轮叶片数不匹配等； 解决措施：导叶修型、增加转轮叶片、重新设计转轮等。 （2）低频振动 原因： 部分负荷工况下，尾水管中存在偏心涡带。 解决措施：转轮出口补压缩空气，增设泄水锥。

  6. 尾水管入口 • 1.3 尾水管中的涡带（实验观测） 水轮机试验台（1:20） [2] 尾水管入口的两种流动形态[2]：（1）螺旋型；（2）轴对称。 [2] 由蔡庆东教授拍摄于哈尔滨大电机厂。

  7. 2 数值模拟方法 2.1 数值计算模型及主要结构尺寸 单位：米

  8. 2.1 尾水管单独计算的两个主要依据 （1）Sick等的研究

  9. 适当给定入口边界条件，对尾水管作单独数值计算也可以得到与全流道计算一致的结果。适当给定入口边界条件，对尾水管作单独数值计算也可以得到与全流道计算一致的结果。

  10. （2） 全流道数值计算

  11. 全流道数值计算中，对尾水管涡带起决定作用的仍是作为基本流的尾水管入口速度型。全流道数值计算中，对尾水管涡带起决定作用的仍是作为基本流的尾水管入口速度型。

  12. 2.3 数值计算方法简介 （1）商业计算软件，RANS方程，RNG k-ε湍流模式，SIMPLEC算法。 （2）非定常计算。 （3）结构化网格，节点数145万，单元数141万。 （4）边界条件 入口：给定尾水管入口截面速度分布，具体为 Q 涡，并以此区分计算工况； 出口：给定河道出口压力呈线性分布。

  13. （5）计算工况 以Q涡模型定义尾水管入口速度。其无量纲速度型如下：

  14. 两个计算工况下的入口速度型

  15. 3 尾水管流动分析 • 3.1 尾水管入口段流动 （1） Case I 尾水管入口段的涡带及测点压力 P1位于轴心，其他4个点分别为壁面测点。 (a)计算时间步：n=289；(b) n=361。

  16. （2） Case II 涡带甩动周期内的四个不同相位 尾水管入口中心及管壁四个测点的压力

  17. 3.2 旋涡流动稳定性基础 （1） 局部稳定性的基本概念 - AI/CI [3] 时空模式的扰动: 两种不同的局部不稳定： （a） 绝对不稳定 （AI）；（b） 对流不稳定（CI）。

  18. （2）Q-涡模型的AI/CI分布[4] [3] 尹协远，孙德军， 旋涡流动稳定性，国防工业出版社，2003。 [4] I. Delbende, J. M. Chomaz, P. Huerre, Absolute/convective instabilities in the Batchelor vortex: a numerical study of the linear impulse response, J. Fluid Mech, 335(1998) 229.

  19. 3.3 尾水管入口段旋涡稳定性分析 （1） 时空平均流及Q涡拟合效果 Case I Q涡拟合效果 截面位置：z = -1.124m 尾水管入口段子午面内的流动

  20. Case II Q涡拟合效果 截面位置：z = -1.124m 尾水管入口段子午面内的流动

  21. （2） 尾水管入口段的AI/CI特性曲线 红线： Case I； 绿线： Case II 。

  22. 3.4 Case II 中尾水管出口流动 出口流动（法向速度、面内流线） 流量统计

  23. 涡带的一个甩动周期内，尾水管中的流动 (a) t = T/4；(b) t=T/2；(c) t=3T/4；(d) t=T。

  24. 尾水管部分的平面视图

  25. 尾水管弯肘段横截面上的法向涡量、法向速度分布尾水管弯肘段横截面上的法向涡量、法向速度分布 法向 涡量 法向 速度 (a)～(d)对应涡带一个甩动周期内的四个等间距相位

  26. 4 总 结 （1） 尾水管入口段流动稳定性 入口段涡带的具体形态及其发展、演化完全由入口截面速度型的AI/CI特性决定。特别地，入口条件没有加任何人为扰动，因此，涡带完全水轮机工况本身所决定，上游扰动如叶道涡流、叶片后的涡脱落等影响很小。

  27. （2） 出口流动偏向与流量分布不均 小流量工况下，涡带甩动会导致弯肘段流动非常复杂，但截面法向涡量、法向速度的分布比较稳定，正是由于其稳定的分布导致出口流动偏向及流量分布不均。

  28. 谢 谢！

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