水力机械空化数值计算与试验研究

摘要

随着国民经济的高速增长，水力机械行业也逐渐步入了黄金阶段。一批批大型工程的不断上马，对水力机械各方面的性能也提出了更高的要求。其中效率、空化和稳定性是三个最为传统也是最为重要的性能指标。效率关系到对能量的利用，空化关系到机组的运行寿命，而稳定性则关系到机组能否安全、正常地运行。实际上这三个性能指标并不是独立的，其间联系紧密。从水力机械的效率、稳定性和空化性能这三个研究领域目前所发表的成果来看，空化领域的相关成果最少，其研究最为困难，所得成果与实际需要之间的差距也最大。造成这个现象的原因，在于空化现象本身的复杂性以及测量的困难。虽然对空化发生的机理，影响空化发展的因素以及空蚀破坏的基本规律进行了大量的研究，也取得了相当多的进展，但这些研究成果基本是定性的分析或粗略的定量分析，在空化的准确定量分析方面，近半个世纪以来都没有取得突破性的进展。随着越来越多巨型机组的投产，转轮相对强度的下降，空化问题已严重地影响着转轮的使用寿命和机组运行稳定性，其再一次引起人们的广泛关注。 一直以来，对水力机械空化问题的研究主要通过模型试验进行，该方法受限于空化的比尺效应及试验条件的限制，并不能准确地反应原型中空化的初生、发展及溃灭情况，存在着很大的局限性。本文采用了空化数值模拟、模型试验、现场试验等多种研究手段，对水力机械领域常见的研究对象（翼型、泵和水轮机）的空化问题做了详细地研究，力求较全面地反应当前水力机械空化研究领域的热点及前沿问题。这从目前已发表的国内外研究来看尚属首次。 论文首先对空化的基本理论、空化数值模拟及空化现场监测的现状做了简要地说明，详细地论述了空化比尺效应问题。对空化数值模拟与模型试验做了简要地比较，并举例说明了空化数值模拟在生产的应用。介绍了目前空化数值模拟中最为常用的两个空化模型，空化界面自适应模型和VOF模型，并对其做了比较，指出采用VOF模型能更合理地模拟空化现象。 翼型绕流是水力机械流动方式的基础。本文结合翼型标准数据及其试验数据，对多种常见紊流模型在翼型空化计算上的效果做了详细地比较。分析结果表明SST模型在翼型的能量和空化数值计算上较目前其它常用的模型有着明显的优势。该研究为今后水力机械空化数值模拟在紊流模型的选择方面提供了参考。 水力机械设计过程中，初生空化余量的确定一直是个难点。通常的办法是通过模型空化试验求得临界空化余量，在此基础上在通过经验系数加以修正。实际运行表明在很多情况按该方法设定空化余量的水力机械设备空蚀情况非常严重。采用空化数值模拟可直观地反映水力机械中空化的发生与发展情况，较准确地判断空化的初生余量。轴流泵的空化研究表明，虽然空化数值模拟所求得的空化临界余量较试验值低，但空化初生余量远大于试验所求得的空化初生余量。这一点在水力机械空化性能的合理判断上尤为有用。 为了验证非定常计算能否定量地分析轴流转桨式机组的水力稳定性问题，本文通过采用SST 紊流模型对同一水头多工况下轴流转桨式水轮机进行非定常数值模拟，并将计算所求得的尾水压力脉动与现场实测结果进行比较，得出数值模拟可对水力机械的实际运行过程做定量的分析。 水力机械空化研究中，间隙空化问题已经越来越引起研究者的关注。为了避免在全流道中分析间隙空化问题所导致的网格数量急剧增加的问题，本文提出了一种间隙空化模拟的简化方式，计算表明，该方式可以相对准确地模拟间隙处的空化情况。 水轮机现场空化监测一直是水电厂急需解决的问题。作者在这方面做了一些初步的尝试，采用所开发的空化声振信号采集系统对水轮机现场空化信号进行采集，并对其做了分析。试验结果表明，该系统能准确地采集到空化信号。通过分析该系统所采集数据还可以对水轮机运行工况提出合理化建议。