尾水管非定常流动模拟及不规则压力脉动预测

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1、尾水管非定常流动模拟及不规则压力脉动预测桂中华1唐澍1潘罗平1韩凤琴21中国水利水电科学研究院，北京，1000382华南理工大学电力学院，广东，广州510640摘要：尾水管内螺旋形涡带引起的压力脉动是造成混流式水轮机组振动的主要根源之一，直接威胁着机组的安全运行。本文提出了一种基于CFD技术的水轮机尾水管压力脉动数字化预测法，并利用此法对一大型混流式水轮机典型偏工况下尾水管内流动进行了长时间非定常计算，详细讨论该工况下尾水管内死水域与涡带的运动规律，预测了尾水管不规则压力脉动，压力脉动分析结果表明其波形、频率、相位与实际基本一致，证明预测

2、方法是可行的。关键词：尾水管非定常流动压力脉动预测1前言水轮机尾水管是能量回收的重要部件，对机组的整体能量特性和稳定运行具有很大的影响，其内部水流从垂直方向转向水平方向，流动受离心力的作用而存在二次流，且过流断面沿流向存在扩散、收缩、再扩散的过程，其流动复杂，常常产生局部脱流和回流等现象。尤其在偏离最优工况运行时，进入尾水管的流动更加复杂，水流夹带着空化气泡在离心力的作用下形成同水流共同旋进的尾水管涡带，涡带在周期性非平衡因素的影响下产生偏心，这种偏心涡带大大降低水轮机效率,其诱发的压力脉动频率接近机组的某一个固有频率时,将会引起强烈共振

3、，威胁机组运行的安全性。尾水管的压力脉动特性是水轮机振动与稳定性的重要评价指标，研究其特性对于解决水轮机稳定性具有直接意义。在过去的几年中，与混流式水轮机稳定性运行有关的压力脉动的研究取得了一定进展.文献[1]对模型水轮机进行了试验研究，分析了尾水管内部不同位置不同工况下压力脉动变化规律，为改善尾水管设计提供了参考。文献[2][3]对单个尾水管进行了内部非定常流动解析，仿真出了部分工况下尾水管内的涡带,但其计算时间较短。本文旨在通过对联合转轮的混流式水轮机尾水管进行长时间的非定常流解析，进而预测尾水管内死水域与涡带及其不规则的压力脉动，为

4、提高机组运行稳定性提供可靠的技术保障。2压力脉动预测法压力脉动预测法以CFD技术为基础,首先对水轮机全流道进行三维造型,并选择恰当网格尺度对水轮机各个部件进行网格划分，接着选用合适的湍流模型进行定常、非定常数值解析，最后提取测点的压力脉动值预测脉动变化趋势。具体方案如图1所示。数值解析是该预测法的基石，在对尾水管流动进行解析时湍流模型的选取尤为重要。研究表明粘性涡模型（k-ε两方程模型）计算得不出由雷诺应力引起的二次回流，因为该模型7采用了各向同性假设，在动能方程和耗散方程的模化过程中，将湍流粘性系数处理为各向同性的标量。这使得标准k-ε

5、模型无法计入离心力、哥氏力对湍流场的影响,得到的湍流涡粘性系数过大，使得计算出的流动趋于稳定。而混流式水轮机在偏工况运行时，二次回流所占能量损失的比重较大，因此粘性涡模型不适合求解偏工况下尾水管内涡带的非定常流动。K-Ω模型本质上与k-ε模型没有区别，同样不适合计算尾水管内的非定常流动。根据计算机硬件条件，本研究选用了雷诺应力模型进行尾水管内流瞬态计算。水轮机过流通道三维造型划分网格定常解析非定常数值解析提取测点压力值压力脉动预测与分析图1尾水管压力脉动预测方法流程图1数值解析设置3.1计算域与网格过去在计算资源不能满足的情况下，研究尾水

6、管压力脉动的学者们往往采用部分解析的策略，单独进行尾水管内部流场非定常解析。由于转轮出口流动对尾水管内流动有很大的影响，在考虑这一点时大多学者是把非定常解析分成两步进行：a.进行水轮机固定导叶、活动导叶、转轮以及尾水直锥管整体定常解析；b.将上述所得转轮出口解析结果作为尾水管入口条件，进行尾水管三维粘性流动定常、非定常解析。这种解析策略虽然也能仿真出尾水管涡带运动，预测出压力脉动，但是还存在下列不足：1)虽然考虑了转轮出口流动对尾水管的影响，但这种方法只考虑了某一个时刻的影响，而实际上是转轮出口流动每时每刻都在影响着尾水管内的流动情况；2

7、)转轮与尾水管间存在的干涉是相互的，上面的处理方法仅仅考虑转轮对尾水管的部分影响而根本没有涉及尾水管对转轮的影响。因此上面的解析方案不是最佳方案。但是一台大型混流式水轮机真机，几何尺寸非常大，把所有的过流通道，包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮及尾水管一起进行整体解析，要想获得比较理想的结果，则要求网格的数量非常巨大，目前还存在许多困难。综合考虑转轮、尾水管间的干涉和计算能力两个方面，本文以固定导叶（1/12）、活动导叶（1/24）、转轮（1/13）和尾水管作为解析域，并采用周期性边界条件进行流动计算；既考虑到了导叶与转轮间、转轮和尾水管

8、间的干涉，有利于提高计算的可靠性，又最大限度地减少网格数目，提高计算速度。计算用的实体模型(解析域)见图2。解析域各组件采用了六面体结构化网格（图3），解析总网格数近50万，其中固导活导10万