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摘要：本文对长短叶片混流式水轮机处于叶道涡小流量工况当中存在的流动特性进行分析，采取RNG κ－ε湍流模型实现对水轮机在非定常流动与定常流动下的数值进行模拟，对叶道涡当中存在的复杂流动所能带来的影响进行分析。结果显示：处于叶道涡工况中，因为导叶出流角出现减小，造成转轮叶片头部和来流出现撞击，导致流道当中的湍流与旋涡现象更为犊砸，同时使叶片当中的压力出现不均匀情况。同时尾水管当中的压力与速度能够保证对称分布，而且压力在径向上也具有较为均匀分布。
关键词：混流式水轮机；流动特性；计算模型；涡轮压力；涡量分布
前言：水利机组存在震动将会对整个机组稳定运行造成严重的影响，同时也会对机组寿命造成一定的缩短。因此对混流式水轮机可靠性做出深入的研究具有非常重要的意义。处于小流量工况当中，因为转轮水流方向角和进口角存在一定的差异，造成水流无法顺畅流入到转轮当中，同时水流在离开转轮之后便会导致涡流出现流出现象，鸡儿导致涡轮内部流动出现一定的不稳定性，导致出现大量的复杂旋涡出现。对此本文采取数值模拟实现对长短叶片混流式水轮机流动特性进行研究，对叶道涡所能造成的作用机理进行分析。
一、计算模型及数值分析
（一）计算模型
本文以某电站当中的长短叶片混流式叶轮机作为计算模型，该叶轮机相关的参数如表1所示。为了保证计算模型当中具有更为平稳的湍流，同时也保证模拟结果具有更高的准确性，对蜗壳进口进行一定的延长。叶轮机过流部件利用Unigraphics软件作为建模基础，并利用Auto CAD对其二维模型进行构建，其三维模型与计算区域计算区域如图1所示，主要由蜗壳区域、尾水管区域、双列叶栅区域以及转轮区域。在模型构建完成之后利用Unigraphics软件使所有部件模拟组装[1]。混流式叶轮机三维模型当中主要包括叶片以及具备回转特点的下环与上冠构成。由于混流式叶轮机当中的叶片为雕塑曲面体，整个水轮机当中各有15片的长叶片与短叶片。因此，叶片当中的曲线选择与下环与中间位置相接近处。
因为水轮机当中的固定导叶和活动导叶在尾部位置具有较小的间隙，所以在网格划分过程中对小面与畸形拐角具有相对更高的要求[2]。对此选用普遍使用的非结构网格作为划分方式。经过划分后的部件网格共计有1858494个，蜗壳、导叶、转轮以及尾水管各有344891个、262116个、820081个以及431406个，所有网格数值质量都超过0.25。
（二）数值分析方法
因为RNG κ－ε湍流模型可以对壁面存在的大尺度分离做出充分的考虑，对水轮机内部存在的涡流流动和分离情况做出良好的模拟[3]。因此采取RNG κ－ε湍流模型实现对整个计算方程做出封闭处理。对数值计算之前需要对边界条件趉相应的设定，本文选择质量流量作为该模型的进口边界，出口边界则设定成总压力。为了保证对内部流动做出较好的描述，选取不可压缩流体连续方程与Navier-stokes方程实现计算分析[4]。在涡轮和蜗壳以及转轮和尾水管间存在的动静耦合交界则选择Frozen Rotor模式实现衔接，在对非定常进行计算过程中选择Transient Frozen Rotor模式[5]。在对非定常进行计算时将定常计算结果作为其初始数据，将转轮旋转3°作为一个时间步长，时间长度是0.001s。研究过程中为了保证计算结果具有足够的收敛性，前处理时可以设置效率与压力作为检测指标。
二、计算结果及分析
（一）涡轮压力分布
对转轮和叶片利用非定常量进行计算可以得到如图2所示的压力分布情况。从图中能够得出，处于转轮流动当中，压力在整个涡轮内部呈现对称分布，同时压力也伴随径向距离的增加而增加，最终在中心部位构成均匀低压区。在低压区中非常容易出现流动涡旋，主要使由于叶道涡工况时，水轮机的进口液流角和叶片出口间存在不等现象，导致水平无法顺利进入到涡轮当中，使涡轮当中没有出现撞击现象，最终使旋涡逐渐流入到转轮液到当中出现叶道涡。通过对转轮叶道间存在的流速进行分析，相比于以往的小流量工况，处于叶道涡工况时，转轮当中的流动状态更为的恶劣。同时处于转轮叶片当中的压力面与吸力面上都存在较为复杂的涡旋结构，导致水轮机实现内部能力交换带来极大的阻碍。
图2 转轮与叶片压力分布情况图
（二）涡量分布
水轮机流道当中的涡量分布进行模拟，最终结果如图3所示。通过对图中分布情况分析可知，处于蜗壳内部和固定导叶前具有较为均匀的涡量分布。在水流从活动导叶流入到涡轮当中时，涡量梯度出现显著的变化，特别是转轮和活动导叶间的交界处，拥有大量的涡轮结构，而且其尺度大小也存在显著的差异。因此，可知处于涡轮前端位置具有与更为剧烈的湍流运动。此外，由活动导叶当中的涡量分布能够发现，在导叶开度不大情况下，流入转轮当中的流体具有的周向速度增加，同时使流体轨迹出现一定的延长，最终提高了导叶尾迹涡具有的能量，最终造成进入转轮当中的流体状态愈发的复杂。
图3 水轮机流道中无量分布情况图
处于转轮内部的涡量具有较为均匀的分布，处于转轮进口处与上冠出口处具有一定的涡结构，同时该涡结构具有的尺度相对较大，这可能是由于在导叶开度相对较小时，导叶出流角也会减小。在水流不断流进到转轮当中，活动导叶当中经过脱流产生的旋涡通过能量交换与分离之后，使旋涡结构愈发的复杂，转轮叶片和旋涡不断的撞击，使叶片进口与上冠出口位置不断出现新旋涡。
（三）尾水管流场
水轮机处于小流量工况下尾水管流场具有如下图4所示的结果。从图中能够看出，尾水管肘管前端位置存在有和转轮旋向移植的涡带，整个涡带处于整个尾水管当中，一直延伸到尾水管末端，但是并为出现显著的偏心现象，并且在扩散段中还存在一定的减弱，具有较为顺畅的流线，整个尾水管当中的压力与速度能够保证对称分布，而且压力在径向上也具有较为均匀分布。
图4 尾水管内部流场特征图
结论：在水轮机出现脱离最佳运行工况时，将会导致水流无法顺畅流入职转轮当中，导致出现脱流与撞击情况的发生，进而造成转轮当中发生复杂涡流问题，导致叶片头部与上冠出存在压力减小情况。通过对长短叶片混流式水轮机流动特性进行深入的分析，对我国水电站今后的实现稳定运行具有非常重要的作用，随着我国水电项目建设不断增加，保证水轮机长期稳定运行具有非常重大的现实意义，通过本文研究期望对以后研究有所借鉴作用。
参考文献：
[1]罗丽，黄霄霖洁.长短叶片混流式水轮机三维非定常流数值模拟[J].人民黄河，2016，38（9）：99-102.
[2]张杰，周大庆，陈会向，等.长短叶片混流式水轮机水力性能预测精度验证及改进[J].水电能源科学，2016，5（10）：161-164.
[3]石祥钟，闫雪纯，孟燕，等.长短叶片混流式水轮机空化特性的数值模拟[J].水电能源科学，2016，36（12）：164-167.
[4]张兴，张文明，廖姣.混流式水轮机叶道涡工况下转轮的流动特性分析[J].水电能源科学，2017，15（7）：172-175.
[5]朱李，赵玺，赖喜德.基于CFD的混流式水轮机流动特性分析[J].水力发电，2015，41（6）：91-94.
论文作者:崔芷维,张琦
论文发表刊物:《基层建设》2018年第5期
论文发表时间:2018/5/21
标签：转轮论文; 水轮机论文; 叶片论文; 工况论文; 涡轮论文; 水管论文; 压力论文; 《基层建设》2018年第5期论文;