水轮机转轮出口和尾水管入口的动静干涉研究

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1、为了适应当前水电朝着成本更低、输出更加灵活的趋势发展，需要具有更加紧凑的机械结构和更大范围的操作工况的水轮机。因此，非设计工况条件下各水力部件之间干涉引起的流体动力作用和动态流动现象在水利设计过程中成为非常重要的一环。到目前为止，对于大型混流式水轮机最常见的部分负荷工况下尾水管内压力脉动引起剧烈振动和噪音的问题，已经有很多用CFD方法研究尾水管振动的论文发表，但是涉及到转轮和尾水管之间动静干涉和相互作用的却没有。然而尾水管内部复杂的三维湍流现象很大程度上是受到转轮出口流动的变化影响，要调査和解决尾水管压力脉动问题

2、，首先需要分析转轮和弯肘型尾水管之间不稳定的流动干涉。要解析转轮和尾水管之间的动态干涉流动现象，需要有和上下级精确贴合的转轮进出口交界面网格结构以及与网格相匹配的非定常迭代时间步长设置。本研究在进行了充分的定常解析计算和相关精度验证之后，进行了8000步的非定常流动解析计算，并对转轮和尾水管之间的动态干涉流动现象做了如下阐述：转轮整体岀口流动交界面中，压能.动能和总能都存在不均匀的能量分布情况，并且这种不均匀的能量分布以转轮旋转过一个叶片位置所用时间为周期，高速地旋转传播。这种动态能量在水流进入尾水管之后，会对静

3、止的尾水管产生干涉现象，使得尾水f进口水平面的压能和总能以同样的速度高速传播，进而引起了尾水管壁面压力的小周期脉动现象。转轮出口能量的高速周向传播在引起尾水管壁面小周期脉动的同时，其自身的出流总能、做功能力和出力同样受到周期性的影响而脉动变化，这就导致了死水域和螺旋涡带形态的不断变化，这种变化结合螺旋涡带的公转运动就会引起尾水管壁面压力的大周期脉动现象。大周期脉动中不同的压力水准下，尾水管的扩散特性和水轮机的整体能量会受压力变化的影响，因而反过来对转轮的能量转化产生作用。这就是转轮出口流动与尾水管入口流动间的相互

4、干涉作用。关键词：转轮出流；尾水管入流；动态干涉：压力脉动ABSTRACTThepresentpushinhydropowergenerationtowardslowercostandmoreflexibleoutputleadstothedemondformorecompactmachinesandrequireslargeroperatingrangeforhydraulicturbines.Asaresult,hydrodynmniceffectsfrominteractionwithinhydraulic

5、componentsanddynamicflowphenomenaatoff-designconditionsbecomeimportantissuesinthehydraulicdesignprocess.However,itisnotyetsuccess五11toSofar,manypapershavebeenpublishedtoinvestigatethedrafttubesurgebyCFD,becausevibrationandnoiseduetothedrafttubesurgeisthemosts

6、eriousproblemtodisturbthestablepart-loadoperationoflargeFrancisturbines.thoroughlyclarifythedynamicflowinterferencebetweenrunneroutletanddrafttubeinlet.Sincethe3-dimensionalturbulenceflowindtafttubeisgreatlyaffectedbyrunneroutflow,inordertoclarifyandcopewitht

7、hedrafttubesurge,itisprerequisitetoanalyzethedynamicflowinterferencebetweentherunnerandthebentdrafttube.Inordertoanalyzethedynamicflowinterferencebetweentherunnerandthebentdrafttube,theaccuratelycoincidentgridsonbothsidesofrunnerslidinginterfacesareneededasca

8、refullytoacquirethereliableinitialconditionfortheunsteadyanalysis.Afterthe8,000iterationsofunsteadyflowanalysis,theauthorclarifiedthedynamicflowinterferencebetweentherunnerandthebentdraft