Francis-99高水头混流式水轮机尾水管内部流动数值研究

摘要

随着高水头混流式水轮机的应用越来越广，其水力稳定性也受到越来越多的关注。其中，尾水管涡带诱发的压力脉动是引起机组水力振动的主要原因之一。本文以Francis-99高水头混流式水轮机为研究对象，开展其全流道数值模拟，并根据尾水管涡带压力脉动的产生机理，探究影响尾水管内部压力脉动的因素。主要研究成果如下：
　　探讨了不同开度下尾水管内部涡流的发展演化规律及其压力脉动特征。在极小开度时，尾水管直管段中心回流严重，水流分布极不均匀，整个尾水管内几乎充满漩涡。随着开度增大，叶片出口正环量减小，尾水管中心回流减弱。尾水管内水流速度随着开度增大而增大，能量也增强。部分回流又形成再回流，给尾水管涡带的形成创造了条件；当开度增大到最优开度时，尾水管进口切向速度几乎为零，进口中心没有回流，流态平稳；满负荷开度时，转轮出口环量为负值，使得尾水管出口水流以反方向漩涡方式出流。极小开度3.91°时，尾水管压力脉动幅值较小，测得其主频为8Hz，为转频的1.2倍，分析得知该压力脉动不是由螺旋形涡带形成的，而是由于大面积回流造成的脱离主流的一段死水区域的脉动引起的；6.72°开度时，尾水管涡带主要集中在直管段和肘管段前端，呈螺旋形，其主频为1.77Hz，为转频的0.3倍，直管段脉动幅值最大。
　　分析了不同空化系数条件下尾水管内部压力脉动的特征。随着尾水管出口压力值的减小，即随着装置空化系数的降低，尾水管涡带直径越来越大，直到涡带分解，空气析出，空腔消失。当出口压力从0.1405atm降到0.1403atm时，尾水管内压力脉动幅值增大到最大值830Pa。而后继续减小出口压力，压力脉动幅值又逐步降低。但数值计算中考虑空化模型所获得的最大压力脉动幅值830Pa与未考虑空化模型时的结果600Pa相差不大，说明空化对Francis-99型水轮机尾水管压力脉动的影响不大。

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1.绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 国内外研究发展现状

1.3 本文主要研究内容

2.数值计算方法及网格划分

2.1计算流体动力学方法

2.2 流体基本控制方程

2.3 三维湍流流动数值模拟方法

2.4涡粘模型

2.5网格生成技术

2.6 控制方程的离散

3.不同开度下尾水管定常数值模拟

3.1几何模型及网格

3.2计算工况选取

3.3数值计算条件设置

3.4数值计算结果分析

3.5本章小结

4.不同开度下尾水管内部非定常数值模拟

4.1非定常流动计算工况选取

4.2计算边界条件设置

4.3 非定常计算结果分析

4.5本章小结

5.不同空化系数下尾水管压力脉动分析

5.1空化数值计算条件设置

5.2定常结果分析

5.3非定常结果分析

5.4本章小结

6.总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献