混流式水泵水轮机驼峰区非定常流动特性研究

摘要

混流式水泵水轮机在现实运行中需要频繁的启动、停机、事故甩负荷、紧急事故停机、大波动的增减负荷以及发电转调相等一系列大幅度的工况变迁，其内部流动处于极其恶劣的湍流流动，与常规的水轮机和水泵相比，混流式水泵水轮机自身存在水泵驼峰区不稳定的区域。机组在泵工况驼峰区运行过程中，会导致机组强烈振动，甚至引发机组强烈破坏。驼峰区不稳定性是目前影响机组安全运行的重要问题，并且流道的湍流结构相对于常规的水轮机和水泵工况，要同时兼顾水轮机和水泵工况的特点，流场具有双向复杂旋转边界条件，其研究难度要远远大于常规的水轮机与水泵单向流道中的湍流问题。因此，通过试验研究和数值计算，研究水泵水轮机驼峰区的内流机理，分析其内部流动特性，改善运行曲线、一定程度消除不稳定性具有重要意义。
　　本文对模型混流式水泵水轮机内部流场进行了非定常数值模拟，探讨分析了泵工况驼峰区的内部流动机理，研究了驼峰区的流场特性和压力脉动特性。研究内容如下：
　　1.对活动导叶开度为21mm时混流式水泵水轮机泵工况进行全流道数值计算，获得外特性曲线，将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析，讨论数值计算方法的可靠性和可行性；根据非定常计算结果得到驼峰区内四个特征工况点的流场信息，包括显示中间断面和子午面上静压、流速、流线和湍动能等参数的分布规律，详细探讨了模型水泵水轮机在四个工况下内部流场的流动特性，分析了内部流动结构对外特性的影响，揭示了水泵水轮机泵工况驼峰区的
　　。
　　2.检测驼峰区四个工况点下混流式水泵水轮机内部各流动域的压力脉动，采集压力信号，运用快速傅里叶变换对信号进行处理，得到各个工况点脉动频域和时域特性，结合内部流动特征对各流动域进行压力脉动分析。
　　研究结果表明：混流式水泵水轮机泵工况进入“驼峰区”时介质流入的流量减小，冲角增大，轴面速度变小，流体射向叶片的背面，在叶片工作面上出现流动分离、漩涡现象；双列叶栅内固定导叶、活动导叶的压力面及吸力面逐渐被低速区流体包围,这些低速流体形成漩涡阻塞了流道，能量损失变大，速度能转换成压力能效率降低。这些因素是驼峰区形成的主要原因。

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第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究意义

1.3 混流式水泵水轮机驼峰区国内外研究现状

1.4 本文研究的主要问题

第2章 湍流基本理论及数值计算方法

2.1 湍流流动控制方程

2.2 湍流基本理论介绍

2.3 本章小结

第3章 水泵水轮机全流道三维建模及网格划分

3.1 混流式水泵水轮机模型的介绍

3.2 三维模型的建立

3.3 计算域网格划分

3.4 网格无关性验证

3.5 本章小结

第4章 混流式水泵水轮机全流道非定常分析

4.1 数值计算方法和边界条件的确定

4.2 非定常数值分析值与试验值对比分析

4.3 非定常内流特性分析

4.4 本章小结

第5章 驼峰区压力脉动分析

5.1 压力脉动试验测量

5.2模型试验结果

5.3 压力脉动数值分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 主要研究结果

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间公开发表的论文