高水头混流式水轮机飞逸工况流动特性数值研究

摘要

在飞逸发生时，水轮机的转速达到此导叶开度下的最大值，通常大于150％的同步转速。机组将承受非常大的附加质量力，有可能造成机组结构破坏。与此同时，转轮中的流态变差，产生非常大振幅的不稳定压力脉动，会引起转轮的疲劳破坏，影响转轮的寿命。本文以典型的高水头混流式模型水轮机Francis99为研究对象，针对数值模拟方法和飞逸工况流动特性两方面进行了研究。主要结论如下：
　　首先对Francis99三个特征工况进行了数值计算，将数值结果与实验值进行了对比。计算采用了两种常用的湍流模型（标准k-ε模型、k-ωSST模型）以及一种更高级的湍流模型（SAS-SST模型）。另外从节省计算资源的角度进行探索，应用TBR（TransientBladeRow）模型中的PT方法和FT方法对活动导叶和转轮分别进行了单流道和双流道非稳态计算。从对水力效率、各监测点压力均值、尾水管截面速度以及压力脉动频域特性等结果的对比分析中可以看出，应用不同湍流模型进行计算，可从不同角度影响计算结果，但都得出相近于实验数据的结果。采用不同湍流模型对计算结果有不同的影响，但都可以得到与实验数据较为吻合的结果。采用FT方法可以得到与全环计算相当的结果，由于该方法仅需两个流道的计算模型，因此可以在节省计算资源的同时采用更加精细合理的网格。
　　对数值模拟方法的对比分析，使得所采用数值方法的准确性得到验证。为了在保证计算精度的同时节约计算资源、减少计算耗时，采用k-ωSST湍流模型计算了飞逸工况内部流动规律。重点关注了转轮叶片表面压力分布、转轮域内流动状态、各监测点处压力脉动时域和频域特性。得出的主要结论有：飞逸工况下，叶片表面的压力梯度分布与正常工况存在较大差异，最高压力位于进口边背面靠近上冠及下环处且呈对称分布，最低压力出现在进口边正面靠近上冠及下环处；水流以旋转涡流状态进入转轮，进出口速度大小变化不明显；水流在转轮流道内的流动状态以一个长叶片和一个短叶片为周期，即每间隔一个流道内的流动状况相同；飞逸工况下无叶区压力脉动幅值明显高于正常工况，在导叶开度为3.91°及9.84°的飞逸工况下,VL01处压力幅值分别为正常工况的2.12倍和1.24倍。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

2 湍流模型及网格划分

2.1 湍流模型

2.2 网格划分

2.3 本章小结

3 数值计算方法研究

3.1 计算设置

3.2 结果分析

3.3 应用TBR模型计算动静干涉效应

3.4 本章小节

4 飞逸工况内部流动特性研究

4.1 计算工况

4.2 转轮域流场分析

4.3 压力特性分析

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献