三峡水轮机的三维非定常湍流计算和压力脉动分析

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水泵水轮机内部压力脉动特性研究

１倍叶倍频，且该处的监测点的压力脉动频率主要由于转轮与活动导叶之间的动静干涉产生；在转
轮内水轮机工况时的压力脉动频率呈现多样性，水泵工况时则都以转频的倍数为主；尾水管直锥段
的主频率在最优工况下等于１倍叶倍频，振动幅值较小。
Ｉｔｃａｎｂｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄｆｒｏｍｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｔｈａｔ：ｉｎ
ｔｈｅｈｅａｄｃｏｖｅｒａｒｅａｏｆｔｈｅｕｎｉｔｓ，ｐｒｅｓｓｕｒｅｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｉＳｒｅｌａｔｉｖｅｌｙｏｂｖｉｏｕｓａｎｄｕｎｄｅｒｔｈｅｔｕｒｂｉｎｅｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｍａｉｎｌｙｔｗｉｃｅａｓｍｕｃｈａｓｔｈｅｌｅａｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｕｎｄｅｒｔｈｅｐｕｍｐｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｓｍａｉｎｌｙｏｎｅｔｉｍｅａｓｍｕｃｈａｓｔｈｅｌｅａｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｆｏｒｔｈｅｂｌａｄｅｌｅｓｓａｒｅａｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｒｕｎｎｅｒａｎｄｔｈｅｇｕｉｄｅｖａｎｅ，ｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｕｎｄｅｒｂｏｔｈｐｕｍｐｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｔｕｒｂｉｎｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｅｓｏｎｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｌｅａｆｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｐｕｌｓａｔｉｏｎ

水轮机工况下水泵水轮机压力脉动特性仿真分析研究

水轮机工况下水泵水轮机压力脉动特性仿真分析研究摘要：随着风力发电、太阳能、潮汐能等能源的逐渐发展，对于电网负荷能力与稳定性提出了更高的要求，而抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能。

因此其核心组件水泵水轮机的安全运行成为了重中之重，而压力脉动是其运行不稳定的重要原因。

为了研究水泵水轮机在水轮机工况下压力脉动特性，本文基于某水泵水轮机模型，利用 UG NX10.0 软件建立三维流域模型，并用 ICEM-CFD 软件对流域进行非结构化网格划分；应用 ANSYS-CFX 软件，对全流道在 10mm导叶开度下进行了多个工况点的数值模拟计算。

经分析，沿流动分布方向压力逐渐降低，活动导叶和转轮间的动静干涉对导叶后转轮前的压力脉动产生影响，峰值出现在9fn、18fn、27fn等处，与叶片数一致。

关键词：水泵水轮机，压力脉动。

1 前言与其他储能方式相比，抽水蓄能是当今世界上技术最成熟、最经济的大规模储存电能方式。

作为一种特殊的电源形式，抽水蓄能电站既可以调峰填谷,优化系统内各类电源工作位置，又可以承担事故备用、调频、调相等动态功能，从而起到提高供电质量、保证供电安全、降低污染等功能。

目前西方发达国家抽水蓄能电站建设较多，总装机比重在 3%-10%，我国仅为 2%左右[1,2]。

水泵水轮机是抽水蓄能机组的核心设备，其具有适用性强、性价比高等特点。

作为可以双向运行的水力机组，转轮正反向运转分别进行水泵工况及水轮机工况，其未来发展方向为高水头、大容量、高转速化，但随之伴随着不稳定，压力流量脉动、汽蚀等问题严重，故需要妥善分析解决[3]。

水泵水轮机作为抽水蓄能电站的核心，其稳定运行直接关系着机组寿命和电站安全。

而由机组内部不稳定流动造成的水力振动，是机组不稳定运行的主要因素和内在原因。

诸多电站不稳定运行的实例（如俄罗斯撒杨水电站和岩滩水电站），充分说明了水力振动对机组安全运行的重要性。

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性

水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性摘要：可逆式水泵水轮机设计需要兼顾水轮机和水泵两种工况。

水泵工况属于减速流动，相较于水轮机工况更容易发生流动分离，在水泵水轮机设计中，对水泵工况的各项性能设计指标考核更为严格。

水泵水轮机泵工况的流量扬程特性曲线在高扬程小流量下通常存在局部曲线斜率为正值的不稳定区域，称为驼峰区。

在抽水蓄能电站实际运行中，驼峰区难以避免，其不仅影响水泵水轮机泵工况高扬程条件下的启动和运行，同时还会产生较强的振动、噪声、功率摆动、水压波动等不稳定现象，直接影响机组安全稳定运行。

鉴于此，本文对水泵水轮机泵工况压力脉动和转轮受力特性进行分析，以供参考。

关键词：水泵水轮机;水泵工况;压力脉动;旋转失速;转轮受力引言本文采用SAS－SST湍流模型对某模型水泵水轮机在非设计泵工况的流态进行了三维非定常数值模拟，分析不同工况下流动特性对压力脉动和转轮受力的影响。

1数学模型1.1计算体型和网格划分计算区域包括蜗壳、导叶、水轮机和尾水管。

考虑到在非设计工况下，尾水管内回流可能会对边界条件给定产生影响，对尾水管进口段适度延长。

1.2网格及时间步长在网格划分时，蜗壳采用四面体网格;导叶区采用楔形网格;转轮和尾水管采用六面体网格，并对活动导叶和转轮叶片设置边界层网格，使近壁面Y+小于10。

图1展示了额定工况下水泵扬程随网格数量的变化情况，当网格数量大于450万时，计算所得扬程变化小于1%。

考虑到计算时间和流场结构的解析精度，最终选取总网格单元数为882万的划分方式。

图1网格敏感性分析2机组能量特性图2为活动导叶相对开度随流量系数Cφ的变化规律。

其中，相对开度计算公式为式中α———活动导叶开度，αmax———最大开度图2活动导叶相对开度随流量系数的变化曲线在上述导叶开度规律下，图2对比了数值模拟与试验测试的机组能量特性曲线，即不同流量系数Cφ下的扬程系数Cψ与效率η变化曲线。

图3扬程系数与效率随流量系数的变化曲线从图3可以看出，CFD模拟得到的扬程系数与效率，相比于试验值，具有相同的变化趋势。

三峡水电厂左岸ALSTOM机组尾水管压力脉动分析

Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｈｏｇｏｔｕｕｖｌｔｎｆｒ（Ｔ）ｉｒｔｇｓｇａｓｏｙｒｕｃｔｒｉｅｒｕｈｃｎｎｏｓｗａｅ￣ｒｓｏｍＣＷｉａ，ｖｂａｉｉｎｌｆｈｄａｆｕｂｎｎｉ
ｏｅａｉｇｏｎｔｂｅｃｎｉｏａｅｄｃｍｐｓｄｖｒｌｉｍｉｄｔ．ｉｎｉｎｅｔｎｉｎｐｒｔｎｕｓｌｏｄｔｎｃｎｂｅｏｏｅｅｙｗｅｌｎｌｔｉｄｍｅｓｏｘｅｓｏｎａｉｉｅｍｅ
［要］对连续小波变换的分析研究，摘了解到非平稳信号经过连续小波变换后，能够有效地将水轮机非稳态
工况下的振动信号很好地分解在有限的时间一尺度范围内而保持信号的信息完整。并应用连续小波变换方法分析了三峡水电厂机组整个升负荷运行中尾水锥管水压脉动情况，准确地获得机组的振动区间以及振动的频
１前言
近年来，许多技术先进的大型水电机组投入运行，
准确地提取分析所需的各种特征值是故障诊断中的一
项重要任务。
总体情况良好。由于机组的容量和尺寸不断加大，机组的相对刚度下降，出现了一些影响机组正常、稳定运行的问题。影响水电机组运行稳定的因素众多且复杂，一些故障的机理不清楚。许多水电机组在电网中担任调频、调峰任务，机组起停频繁，因而在机组起动调试、机组运行状态监测以及故障诊断中许多振动信号为非稳态信号。例如，机组起动与停机，负荷调
节、机组甩负荷以及水泵一水轮机相互切换或水泵工况断电等，这类机组状态或运行工况的改变，均将引起机组各运行参数（如电气、机械、水力、力学以及

三峡水轮机全流道三维流动数值模拟研究

收稿日期：０７０．９２０．９２基金项目：家自然科学基金（０１０９；国水利水电科学研究院科研专项基金（３ｙ４国９４０１）中０ｋＯ）作者简介：忠信（９１，，北人，授级高级工程师，要从事水力机械、算水力学专业研究。高１６一）男河教主计
了三维时均Ｎ—ｓ程、流模型采用两方程ＲＧ缸ｅ模型，值方法采用贴体坐标的有限体积法，过方湍Ｎ数通
速度压力校正的ＳＭＬＩＰＥ方法处理了不可压缩问题。共进行了３个开度条件下的计算，个开度各进行每４个典型工况的三维湍流流场模拟，过数值方法求解控制方程，得了全流道的流速和压力参数，通获计算结果表明流速和压力分布合理，数值计算得到的效率与试验得到的效率进行比较，果吻合良好。结
流道原型水轮机三维湍流数值模拟研究，算对象是中国水利水电科学研究院机电研究所为三峡右岸计
开发的水轮机模型，水力模型有完整的模型试验资料，用于检验计算结果。水轮机全流道三维湍流该可数值模拟，计算区域为包括蜗壳、固定导叶、动导叶、活转轮和尾水管的全部流道。模拟中控制方程采用
数值方法求解控制方程，得了全流道的流速和压力分布。计算结果表明流速和压力分布合理，值计算得到的获数效率与试验得到的效率进行比较，果吻合良好。结

水轮机压力脉动分析

少发电，而且影响机组的安全稳定运行。
范围内，水管压力脉动的主频为１４１～１尾／．７／３２。由于机组（．８单机容量４００ＷＭ）在低水位长时间低负荷运行，且现场实测真机压力脉动值偏大，尤其小负荷区，这也是促成裂纹产生、发展的
低负荷区是偏离最优工况最远的运行区域，
２典型压力脉动形式
２１低负荷区压力脉动．
与电网运行时，成为主要的调峰调频机组，而且还
水电机组由于启动迅速、增减负荷灵活，在参外部因素。
作者简介：黄万全（９４，甘肃人，１７一）男，工程师，长期从事水机试验工作。
ＰｅｓｒｌａｉｇＡｎｌｓｓｏｄａｌｕｂｎｒｓｕｅＰｕｎｃ
ＨＵＡＮＧ％ｎ— ｑａｔｕｒ
ＡｂｔａｔＯｎｆｉｏｔｎａｔｒｗｈｃｎｕｎｅｈｎｔｖｂａｉｎａｄｕｓｅｄｐｒｔｎｏｙｒｕｉｕｂｎｓｒｃ：ｅｏｍｐｒａｔｆｃｏｉｈｉｆｅｃｓｔｅｕｉｉｒｔｎｎｔａｙｏｅａｉｆｈｄａｌｔｒｉｅｌｏｏｃｇｎｒｔｒｕｉｈｒｓｕｅｐｌｔｇｏｙｒｕｉｂｎ。ａｄｉ’ ｎｆｍｐｒａｔａｉｏｖｌａｉｈｔｒｅｅａｏｎｔｉｔｅｐｅｓｒｕｓｉｆｈｄａｌｔｉｅｎｔｓｅｏｏｔｓｓｆａｕｔｔｅｗａｅ．ｓｓａｎｃｕｒｏｉｎｂｅｇｎｐｗｅｆｒａｏ．Ｔｈａｅｘｕｄｄａａｙｉｓｖｒｌｔｐｃｌｆｒｏｒｐ６ｒｎｅｎｅｐｐｒｅｐｎｓａｌｓｅｅａｙｉｏｍｓ’ｒｐｅｅｔｏｒｓｕｅｐｌｔｆｏｎｎｓａｅｒｓｎｆｐｅｓｒｕｓｉ０ａｎｇｈｄａｌｕｂｎｄｉｎｕｎｅｏｈｔｂｌｙｏｈｙｒｕｉｔｒｉｅｏｅａｉｎ．ａｌａｎｒｎｕｅｏｙｒｕｉｔｒｉｅａｔｉｆｅｃｎｔｅｓａｉｔｆｔｅｈｄａｌｕｂｎｐｒｔｃｎｓｌｉｃｏｓｗｅｌｓｉｔｔｃ￣ｓｍｅｔ

水泵水轮机S区流动特性及压力脉动分析

水泵水轮机S区流动特性及压力脉动分析摘要：水泵水轮机运行调度过程中会反复经历偏工况的S特性区，在该特性曲线运行中水轮机系统会出现不稳定，严重时会造成机组损坏。

为研究水泵水轮机S特性曲线下不稳定的形成原因，本文选取水轮机工况、飞逸工况和制动工况三种S特性工况，采用SST 湍流模型对模型水泵水轮机进行全流道定常和非定常数值模拟，发现：水轮机工况向制动工况运行时，流道内部流量减少且流线愈发紊乱，涡分布范围逐渐增加且更加离散，可能造成较大水力损失；压力脉动幅值也逐渐增加，所有区域脉动幅值随偶数倍叶频递减，主频和次频分别为9fn 和18fn，受到动静干涉作用较为明显，转轮区域的低幅值高频脉动可能是S区域不稳定的来源。

关键词：S特性区；涡分布；流动特性；压力脉动Analysis on flow characteristics and pressure pulsation of Punp-turbine S-shaped RegionHugang Gong(Dongyuan Branch of Shenzhen Water Planning and Design Institute Co., Ltd., 410000, Changsha, China)Abstract: The pump-turbine operation and scheduling process will repeatedly experience the S-shaped region of the partial working condition, and the turbine system will be unstable in the operation of this characteristic curve, which will cause unit damage in a serious situation. In order to study the causes of instability under the S characteristic curve of pump-turbine, this paper selects three S characteristic conditions: turbine working condition, flyaway workingcondition and braking working condition, and adopts SST k-ωturbulence model to perform full-flow channel constant and non-constant numerical simulation of the model pump turbine. The pressure pulsation magnitude also increases gradually, and the pulsation magnitude in all regions decreases with even times of leaf frequency, and the primary and secondary frequencies are 9fn and 18fn respectively, which are more obviously affected by dynamic and static interference, and the low amplitude and high frequency pulsation inthe runner region may be the source of instability in the S region.Keywords: S-shaped region; vortex distribution; flow characteristics; pressure pulsation引言抽水蓄能机组既能调峰也能调谷[1]，相较于其他常规水电机组具有响应快，效率高和调节能力强等优点[2]。

水轮机内部非定常湍流的数值模拟研究

水轮机内部非定常湍流的数值模拟研究水轮机是水力发电系统中的核心部件,工作在旋转湍流下会产生非定常压力脉动、空化、泥沙磨损、流激振动等严重影响机组正常运行的问题。

研究该类问题具有工程实际意义和理论学术价值。

数值模拟已成为当前研究水轮机内部流场及其复杂流动机理的重要工具。

本文采用现代计算流体动力学中的先进数值模拟方法,围绕困扰水轮机领域安全高效稳定运行的一些技术难题开展工作,研究内容和取得的成果如下：(1)基于三维瞬态N-S方程,采用大涡模拟(LES)方法中的Smargorinsky-Lilly亚格子应力模型,应用模拟动静干扰效果较好的滑移网格技术,以标准k-ε湍流模型稳态计算的结果作为初始条件,对某原型混流式水轮机全流道进行了三维瞬态湍流数值模拟。

采用非结构化的混合网格和压力速度耦合的PISO算法,成功地模拟了水轮机在运行中的各种瞬态细节过程,如涡旋的卷起、增长、合并、破碎和脱落。

模拟结果给出了偏工况下水轮机导水机构和转轮流道内大尺度涡结构的瞬态发展演变过程。

计算结果表明大涡模拟方法能较好地模拟水轮机内水流的瞬态流动特性和瞬时涡的发展演化过程,该方法可为探索研究水力机械复杂流道湍流运动状态下涡旋的形成机理提供有价值的参考。

(2)基于不可压缩流体瞬态N-S方程对混流式水轮机内部三维非定常流进行精细模拟分析,以标准k-ε湍流模型对水轮机进行全流道定常计算的结果作为初始流场,应用较新的分离涡模拟(DES)和滑移网格技术进行了水轮机考虑两级动静干扰的非定常湍流数值模拟,得到了偏工况下活动导叶出口及转轮叶道内涡量场及速度场分布特性。

模拟了大尺度涡旋结构的卷起、发展等瞬态演化过程,结果表明DES方法可以更加全面真实地模拟水轮机内部的流动情况,捕捉到水力机械中复杂流道内的三维动态涡结构。

该研究对于探讨影响水力发电机组出力摆动的水轮机涡激振动的内在机理、确保机组的安全稳定运行具有重要意义。

(3)基于欧拉-欧拉方法中均匀多相流假设的混合两相流体无滑移模型,加入考虑气穴影响的Schnerr and Sauer空化模型,采用标准k-ε湍流模型和压力速度耦合的SIMPLEC算法,转动区域应用多重参考系模型(MRF),对某原型混流式水轮机全流道进行了三维定常空化湍流数值模拟。

混流式水轮机压力脉动预测

维普资讯
混流式水轮机压力脉动预测
２ｏ № ０２
．
５
混流式水轮机压力脉动预测
张梁吴伟章，玉林陶星明，，吴，刘树红（．１清华大学，北京１０８；．尔滨电机厂有限责任公司，００４２哈黑龙江哈尔滨１０４）５００
Ｏｔ＋巧
பைடு நூலகம்
（）２
式中
ｒ雷诺应力。
ＲＧ的ｋ一￡湍流模型Ｎ
产生漩流，口漩流会在尾水管中形成涡带，水管涡出尾带是混流式水轮机在偏离最优工况运行时都会产生的
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穗：（＼
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【键词】压力脉动；维湍流；定常流动关三非【图分类号】Ｋ３．中Ｔ７０１【献标识码】文Ａ【章编号】００３８（０２０－０４０文１０－３２０）５０３－５９
Ａｂｓｒｃ：Ｉｈｒｓｎｒｔａｔｎｔｅｐｅｅｔｗｏｋ．山ｅｔ＿ｅ— ｄｍｅｓｏａｎｓｅｄｕｂｅｏｉｉｌｔｈｒｕｇ山ｅｈｅｒｉｎｉｎｌｕｔａｙｔｒｕｎｔｆｗｓｓｍｕａｅｔｏｈｌｌｄｗｈｌｏｐｓａｅｏａｉｕｂｎｅ，ｔｅｐｒｓｕｒｕｔａｔｏａｓｄｙｔｅｕｓｅｄｏｏｏｔｘｔｐｏｅｆｗａｓｇｆＦｒｎｃｓｔｒｉｌｈｅｓｅｆｃｕｉｎｃｕｅｂｎｔａｙｆｗｆｖｒｅａｅｌｈｌｔＩ＿ｈＦｒｎｃｓｔｒｉＳｐｒｄｉｔ．Ｂｓｄｎｖｅ－ｔｋｓｏ２１ｔｏｉｎｄｔｅｆＴＧ一ｍｏｅ，ｔｅＳＭ－ｈｏｌａｉｕｂｎｅｉｅｃｅｇｄａｅｏＮａｉｒＳｏｅ１ａｉａｈｔ１ｓｋ￡ｄｌｈＩＰＬＥＣ￣ｇ，ｔｍｔｏｙｆｔｄｃｏｄｉｔｏｄｓａｇｒｎｒｄｓｓｅｏ４ｈｗｉｂｄ－ｔｅｏｒｎａｎａｔｇｅｉｇｇｙｔｍｉｐｐｄｆｒｔｅｓｌｉｎｏｅｈｉｉｎｉｓａｈｅｏｏｕｔｆｔｈｏｈｄｓｒｔａｎｏｅｎｎｑｕｔｏｓ．ｉｃｉｔｏｇｖｒｉｇｅａｎｅｚｉ

混流式水轮机尾水管非定常流动模拟及不规则压力脉动预测

文献［，］２３对单个尾水管进行了内部非定常流动解析，真出了部分工况下尾水管内的涡带，其计算仿但
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，而预测尾进
的选取尤为重要。研究表明，采用黏性涡模型（－ｋｓ两方程模型）算得计不出由雷诺应力引起的二次回流，为该模型采用了各向同性假设，因在动能方程和耗散方程的模化过程中，湍流黏性系数处理为各向同性的将标量。这使得标准ｋ－型无法计入离心力、氏力对湍流场的影响，ｓ模哥得到的湍流涡黏性系数过大，得计算出的流动趋于稳定。而混流式水图使
Ｖ１Ｎ．ｏ４。．１
Ｍｒ，０６ａｃ２０ｈ
文章编号：６２３３（０６０ —０８０１７ —０１２０）１０６ —６
混流式水轮机尾水管非定常流动模拟及不规则压力脉动预测
桂中华，唐澍，潘罗平
（中国水利水电科学研究院机电研究所，京北１０３）００８
际基本一致。明文中压力脉动的预测方法是可行的。证关键词：水管；定常流动；压力脉动预测尾非中图分类号：Ｙ３．Ｔ１３２文献标识码：Ａ
水轮机尾水管是能量回收的重要部件，机组的整体能量特性和稳定运行具有很大的影响，内部对其水流从垂直方向转向水平方向，动受离心力的作用而存在二次流，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，常产生局部脱流和回流等现象。尤其在偏离最优工况运行时，入尾水常进

水轮机模型压力脉动的测试及方法研究

水轮机模型压力脉动的测试及方法研究作者：郭全宝来源：《科学与财富》2018年第08期摘要：随着国家整体实力的提升以及科学技术领域的进步，水利工程以及水利发电领域的发展得到了不小的创新与突破。

在近几年的发展中，很多科研团队对相关工程领域中涉及到的设备或技术手段进行了全方位的研究，并对相关水利设备的应用原理和特点进行了深入的分析，从而提高设备的应用价值与效果。

水轮机作为相关水利工程项目中的重要设备，不仅受到了很多科研团队的关注，研究团队还对其模型和压力测试方面的内容展开了深入研究，以此来提高水轮机的运作效率。

本篇文章就水轮机模型压力脉动的测试及方法进行简单的论述，仅供相关研究人士参考。

关键词：水轮机模型；压力；测试；方法水轮机在国家水利资源开发以及水利发电等领域的发展中扮演着至关重要的角色，在近几年的发展中受到了很多研究团队的关注。

除了水轮机运作中涉及到的技术手段和制作工艺等，一些科研团队还对水轮机模型压力脉动的测试展开了进一步的研究。

一方面是国家经济实力和科技实力同步提高的影响，另一方面是由于一些传统的测试手段已经不能很好的满足水轮机模型压力脉动研究的需要，需要对相应的方法和手段等进行更新变革才能为研究工作的进一步开展提供有利条件。

1 水轮机模型的意义水轮机相似理论是研究相似水轮机之间存在的相似规律，并确定运行参数之间换算关系的理论。

目前水轮机相似理论已经广泛应用于水轮机设计、制造、选型和最佳运行方案选择上，但由于水轮机水流条件复杂性，根据水轮机模型方法研究水轮机真机的相关特性，必须在保证水流运动相似的条件下进行。

由于水轮机组的电力工程属性普遍有着规模大、投资高、建设难的问题，水轮机试验人员在对水轮机进行设计、制造、选型等工作时无条件用真机对水轮机运行和各项特性进行试验和分析，导致用计算指导实践的弊病，一旦计算与实践脱节出现问题，损失不可估量。

由于模型水轮机具有运转规模小、费用小、试验方便的特点，不但可以随着需要变动工况，还能在较短时间内对水轮机运行整体特性进行分析。

水力发电机组的三维数值模拟及流固耦合分析

水力发电机组的三维数值模拟及流固耦合分析水力发电是一种环保、可持续的发电方式，得到了越来越多的关注。

对于水力发电机组的研究和优化，三维数值模拟及流固耦合分析是一种非常有效的方法。

一、水力发电机组的工作原理水力发电机组是利用水能转换成机械能的原理，通过涡轮转动带动发电机发电。

水流经过水利水电工程中的水电站，先经过水闸，随后进入水轮机进口，水轮机由导叶、进口管、转轮和出口管构成。

水流进入导叶后，流速被分散和调整，再经过进口管的导向和加速，最后进入转轮。

流动的液体受到转轮叶片的作用，机械能通过转轮传递到涡轮轴上，再经过发电机进一步转化为电能，最终输入电网。

二、水力发电机组的三维数值模拟为了优化水力发电机组的设计和运行，工程师和研究人员需要对机组内液体的运动和机械受力进行分析。

由于水流在机组中的运动过程是三维、非定常、湍流的，采用数值模拟方法可以更加准确地模拟机组内部的流场。

数值模拟方法主要有雷诺平均Navier-Stokes方程模拟（Reynolds-averaged Navier-Stokes equations，RANS）和大涡模拟（large eddy simulation，LES）。

RANS方法可以计算流场的平均值和涡动，而LES方法可以较为准确地模拟具有大尺度涡动结构的流场。

在进行数值模拟时，需要对机组内部的几何形状进行建模。

使用计算流体力学软件，例如ANSYS Fluent或OpenFOAM，可以有效地进行模拟。

首先建立几何模型，随后设置网格划分参数，在计算机上划分网格。

接下来，选择模拟方法，并设置模拟条件和边界条件。

在使用RANS方法时，需要设置湍流模型，而在LES方法中，则需要设置滤波器和子网格模型。

最后，运行模拟程序，计算出机组内部的流场参数和压力分布。

通过数值模拟，可以对水力发电机组的设计和运行进行优化，提高机组的性能和效率。

三、流固耦合分析水力发电机组是一个典型的流固耦合系统。

在机组运行过程中，水流不仅对机械叶片产生力学作用，也会受到机械叶片的阻力作用，从而影响机组内部的流场分布。

水轮机导水机构内部三维紊流计算

水轮机导水机构内部三维紊流计算水轮机作为一种常见的水力发电装置，其效率和性能的优劣直接关系到水力发电的利用率和成本。

而水轮机的导水机构作为水流的管道，其内部的流动状态对水轮机的性能影响尤为重要。

因此，本文针对水轮机导水机构内部的流动状态进行了三维紊流计算，旨在探究导水机构内部的流动特性，为水轮机的设计和优化提供参考。

1. 前言水轮机作为一种利用水能转换为电能的装置，已经被广泛应用于水力发电领域。

然而，水轮机的效率和性能直接关系到水力发电的利用率和成本，因此，对水轮机的设计和优化十分重要。

而水轮机的导水机构作为水流的管道，其内部的流动状态对水轮机的性能影响尤为重要。

因此，本文针对水轮机导水机构内部的流动状态进行了三维紊流计算，旨在探究导水机构内部的流动特性，为水轮机的设计和优化提供参考。

2. 水轮机导水机构的流动特性水轮机导水机构内部的流动状态对水轮机的性能影响尤为重要，因此，我们需要了解导水机构内部的流动特性。

根据流动的特点，可以将导水机构内部的流动分为层流和紊流两种状态。

层流状态下，水流是平稳的，没有明显的涡旋和湍流，流速相对较低。

而在紊流状态下，水流的速度和方向都是不规则的，出现了大量的涡旋和湍流，流速相对较高。

在实际应用中，水轮机导水机构内部的流动通常是复杂的三维紊流状态，需要通过数值模拟等方法进行分析。

3. 三维紊流计算模拟为了分析水轮机导水机构内部的流动特性，本文采用了三维紊流计算模拟方法。

在计算模拟中，我们首先建立了导水机构的三维模型，并对其进行了网格划分。

接下来，我们使用了计算流体力学（CFD）软件，对导水机构内部的流动进行了数值模拟。

在模拟过程中，我们采用了标准k-ε模型作为流动模型，并对边界条件进行了设定。

同时，我们还考虑了导水机构内部的摩擦阻力和湍流能量耗散等因素，以更真实地反映导水机构内部的流动状态。

4. 计算结果与分析通过三维紊流计算模拟，我们得到了水轮机导水机构内部的流动状态图。

水轮机压力脉动的原因

水轮机压力脉动的原因
1. 水轮机压力脉动的原因之一可能是水流不稳定啊！就好比你走路，一会儿快一会儿慢，能不别扭嘛！比如水轮机进水口的水流时急时缓，这压力能不脉动嘛！
2. 转轮设计不合理也是个大问题呀！这不就像给人穿了一双不合脚的鞋，能舒服吗？要是转轮的形状不适合水流，那压力脉动肯定就来了呀！
3. 水轮机内部的杂质积累多吓人呀！就像血管里有了血栓，能不影响正常运行嘛！比如说水里有很多泥沙之类的杂质堆积在水轮机里，压力能不波动嘛！
4. 运行工况不合适也会导致压力脉动哦！这就好像让你在大太阳下跑马拉松，你能吃得消嘛！像水轮机在超出它能力范围的工况下运行，压力肯定不稳定啦！
5. 管道系统有问题可不行呀！这跟人的血管有毛病一样严重呢！要是管道有堵塞或者泄漏，那水轮机的压力能不奇怪地脉动嘛！
6. 水轮机的安装不准确也得重视呀！这就像搭积木没搭好，能牢固嘛！比如安装的时候没对正，那压力脉动就容易出现了呀！
7. 水流中的气泡也是个捣蛋鬼哟！这就像汤里有很多气泡，看着就不平静嘛！当水中有大量气泡时，水轮机压力能不脉动嘛！
8. 机组的振动也会引发压力脉动呢！这就好像地震了房子会晃一样呀！要是机组本身振动厉害，那压力脉动肯定跟着来啦！
9. 操作人员的不当操作也会惹祸呀！这不跟开车开得乱七八糟一样嘛！要是操作人员瞎搞，水轮机的压力能正常嘛！
10. 外界干扰因素也不能小瞧哇！这就像你正专心做事，旁边有人一直捣乱，能不烦嘛！像外界的震动、噪声等干扰了水轮机，压力脉动就容易出现了嘛！
我觉得呀，水轮机压力脉动的原因真的很多很复杂，我们得认真去研究和解决，不然会出大问题的！。

不同压力速度耦合模式下水轮机三维CFD计算对比

不同压力速度耦合模式下水轮机三维CFD计算对比唐巍【摘要】For the purpose of studying the influence in the pressure and velocity coupling mode of water turbine numerical computation, the three -dimensional model of water turbine units has been established.Measure points are located in volute, runner and draft tube.Through the calculation, the data of flow field and pressure fluctuation are acquired.The result indicates that under the Piso and Simple mode with pressure and velocity coupling, the velocity field distribution is small, but the pressure field has a great many difference.Pressure pulsation in Piso model is high frequency, on the contrary, it is low frequency in simple model.The calculation result simple model is agree with actual situation.%为研究在水轮机数值计算中不同的压力与速度耦合模式对水轮机内流场的影响. 对作为研究对象的水轮机进行全流道三维建模及CFD计算. 分别在流道蜗壳、转轮、尾水管内设置测点, 计算在设定工况下不同压力速度耦合的流场及测点压力脉动数据. 分析结果表明: PISO与Simple压力速度耦合模式下流场速度场分布相似, 压力分布差异巨大, PISO模式下压力脉动为高频, Simple模式下为低频, 其中Simple模式计算与实际符合较好.【期刊名称】《广东水利水电》【年(卷),期】2015(000)009【总页数】4页(P62-65)【关键词】压力与速度耦合模式;压力脉动;CFD【作者】唐巍【作者单位】西华大学能源与环境学院, 四川成都 610000【正文语种】中文【中图分类】TV734.1流体数值计算方法具有使用成本低，得出初步结果速度快，计算结果具有较强的参考性，因而在流体机械研究领域中被广泛采用[1－4]。

低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动分析与研究邵冰啸

低水头下水泵水轮机水轮机工况压力脉动分析与研究邵冰啸摘要:为了研究水泵水轮机在水轮机工况下的压力脉动特性,采用SST k-ω湍流模型对模型水泵水轮机在水轮机工况下的三维非定常湍流进行模拟．在试验验证的基础上,通过调整活动导叶的开度以实现机组不同的运行工况,分析了3种流量工况下导叶、转轮和尾水管内的压力脉动规律．针对混流式水轮机的转轮结构、受力特点及转轮各部分网格的自动划分等方面进行了简要分析，阐述了可实现水轮机转轮结构计算与优化设计的有限元方法及改良复合形法。

在不改变叶片型线的情况下合理地选择上冠和下环的尺寸，从而改善转轮各部分的应力分布，求得最优的转轮结构。

关键词:水泵水轮机异常低水头压力脉动随着大型水泵水轮机组的广泛运用,人们对如何提高水泵水轮机的效率、稳定性和抗空化性的问题越来越关注，目前,水轮机的效率和抗空蚀的性能都得到了很大的提高，而随着机组容量和水头的增加，水泵水轮机组运行的不稳定性问题越来越严重,机组的振动直接影响电站正常的运行和厂房的安全．机械振动、电磁振动和水力振动等都会造成机组振动.而压力脉动是造成水泵水轮机机组振动的主要原因之一,它产生于机组运行过程的非定常流场.水轮机在低负荷运行状态下存在运行不稳定的情况,运行工况偏离最优工况很远,此时导叶进口水流是以一定的角度进入导叶,内部流动状态随之变坏,使导叶后出现旋涡、脱流等不稳定现象,引起压力脉动，使水泵水轮机本体振动。

1、计算模型1.1物理模型图1为以国内某抽蓄电站模型水泵水轮机为对象建立的全流道几何模型,其模型机的几何参数:转轮进口直径D1=473.5 mm,转轮出口直径D2=300.0 mm,转轮叶片数Zb=9,固定导叶数Zc=20,活动导叶数Z0=20,导叶高度b0=66.72 mm,蜗壳包角343°。

图1模型水轮机的三维实体模型将水泵水轮机三维全流道划分为蜗壳与固定导叶区、活动导叶区、转轮及尾水管4个计算域．网格划分过程中,发现隔舌附近结构复杂,因此蜗壳与固定导叶区域采用适应性强的非结构化四面体网格,其他区域采用结构化网格进行划分。

采用热路方法和三维有限元方法计算三峡水轮发电机三维热网络热阻参数的研究

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采用热路方法和三维有限元方法计算三峡水轮发电机三维热网络热阻参电机温度场计算问题：文献 [1] 建立了汽轮发电机水内冷定子线棒的温度水力模型，可得到定子线棒的轴向温度分布，但没有考虑线棒与铁心的热交换。文献[2]、 [3]建立了汽轮发电机定子线棒的热水力模型，考虑了线棒与铁心的热交换，并进行了实验验证，但不能计及定子的轴向温度分布。文献[4]建立了发电机定子线圈出水口和槽内检温计的热模型，分别讨论了人工神经网络和最小二乘法对模型参数辨识的影响。文献[5]计算了水轮发电机空冷定子的半齿、半槽、半轴向区域的三维温度场，其定子铁心通风沟表面散热系数是风速的函数。文献[6] 比较了 8 节点 6 面体单元和三棱柱单元在水轮发电机定子三维温度场计算中的应用，计算结果表明 8 节点 6 面体更适合复杂边界剖分，但计算时间更长。三峡发电机的冷却水支路都是多根线棒串联，同一槽内上下层线棒属于不同的水支路，且其在各自水支路中的位置也可能不同。例如，第 5 号水支路的第 2 根线棒(从入水口数)在某一槽内与第 60 号水支路的第 6 根线棒相邻。这样，水支路之间的相邻关系非常复杂，造成水支路之间的热交换情况非常复杂。因此，若想研究发电机定子温度分布，就必须计算多个定子槽，甚至整个发电机定子区域。三维有限元方法是计算电机温度分布的一种计算精度较高的数值方法，采用三维有限元法剖分发电机定子的一个整槽，单元将达到 700 多万，节点将达到 500 多万。而现有较高配置的微型计算机最多可解算大约 250 万个单元，150 万节点以下规模的问题，发电机定子一个槽的解算规模已远超出现有计算机的计算能力，更无法解算多个定子槽乃至整个定子区域。如果采用三维热网络方法计算多个定子槽甚至整个发电机定子区域温度分布，可将整个发电机定子的三维热网络的节点个数控制在 120 万以内，使本来无法求解的问题变为可能。但三维热网络中的各个热阻准确计算将影响最终温度分布结果，本文比较了分别采用热路方法和三维温度场方法计算各热阻的影响。

混流式水轮机全部通流元件的三维湍流流场分析与性能预测

混流式水轮机全部通流元件的三维湍流流场分析与性能预测随着叶片式水力机械向大型化方向发展,工程上对水轮机的能量特性、空化性能和稳定性又提出了更高的要求。

从国外在高性能水轮机设计上所取得的成就来看,采用现代流动计算技术获得准确详细的内部流动是成功设计高性能水轮机的重要保证。

因此,充分了解和掌握水轮机各过流部件的流动特性,对于正确预测水轮机的性能及提高设计水平具有重要的意义。

水轮机内部真实的流动是不稳定的、三维粘性不可压缩湍流。

本文在三维时均N-S方程的基础上,运用标准k-ε模型和RNGk-ε模型对一模型混流式水轮机引水元件、转轮和尾水管进行了单独计算和联合计算,数值模拟了水轮机各通流元件内部三维湍流流场,并根据流场计算结果对水轮机的能量性能和空化性能进行了预测。

通过对蜗壳、座环和导叶进行联合计算,得到了引水元件内部合理的压力和流速分布,得出速度矩在整个蜗壳内部的分布与v_uR=常数的设计理论相符、蜗壳设计中蜗壳山口径向述度沿周向均布的假设是合理的结论,并根据座环支柱进口水流方向以及导叶出口水流速度及环量沿周向的不均匀分布,为座环的水力设计和转轮三维湍流计算提出参考意见。

根据引水元件内部流场计算结果,本文还对引水元件水力损失进行了计算与分析。

研究表明,随着网格密度的增加,计算精度提高;对叶片附近进行细密的网格划分,可明显提高计算精度;进口边界条件中参数的正确设置是非常重要的:在合适的网格密度、局部网格加密和计算参数的正确设置下,采用压力出口边界条件计算的引水元件水力损失与实际较为吻合;计算域出口位置对引水元件水力损失的计算影响较小。

通过模型水轮机转轮单流道三维定常湍流计算和转轮与尾水管三维定常湍流联合计算的结果对比可见,两者都可以得到水轮机通流元件内部的流动细节,但从转轮效率的计算结果可以看到,单流道计算结果更为合理,考虑引水元件和转轮水力损失后的水轮机效率与实测值更为接近。

本文在现有计算资源条件下,针对一模型水轮机,提出了一种将多部件联合计算与转轮单流道计算相结合的方法,对水轮机能量性能进行了预测,本模型水轮机计算效率的最大相对误差仅为为0.9%。

三峡船闸水力学问题综述

三峡船闸水力学问题综述通航建筑物总体布置确定之后，船闸水力学问题就是影响船闸运行的主要因素。

为此，从三峡工程论证以来各有关方面针对三峡船闸水力学问题进行了大量深入的试验研究及调研工作。

本文结合葛洲坝船闸的运行实践来论述二峡船闸水力学的有关问题。

1 船闸水力学问题的主要因素高水头船闸水力学问题集中反映为闸空停泊条件和阀门工作条件问题。

葛洲坝船闸的运行实践表明，前者主要表现为超灌超泄问题，后者即为阀门区气蚀和声振问题。

1.1 超灌超泄问题高水头船闸经常存在超灌超泄问题。

较大的反向水头不仅损伤人字门启闭机的构件，而且在闸室内形成明显的纵向水流，对闸室内船舶的停f白条件有严重影响。

葛洲坝一、二号船闸在试航时都曾发生过因惯性水头过大而断缆的情况。

在人字门开启的瞬间系船柱所受冲击力大于20t。

1.2 阀门段气蚀和振动问题阀门段空化和启门力脉动是困扰阀门运行的主要问题。

葛洲坝一号船闸原型观测表明；阀门段有空化，过大的启门力脉动并伴有强烈的声振。

二、三号船闸检修时曾多次发现反弧门支铰基础螺栓松动；反弧门面板、门楣、止水轨道蚀损；顶止水撕裂；反弧门后至检修门槽之间廊道混凝土墙面有大面积蜂窝状蚀坑等。

2 船闸水力参数的选取三峡水利枢纽采用连续五级船闸，总水头113m，单级最大工作水头45.2m。

其各项水力指标都达到和超过目前世界水平，主要水力参数(中间级闸室)与葛洲坝一号船闸对照如表1。

表1 三峡连续五级船闸水力参数与葛洲坝一号船闸对照表名称闸室尺寸(长×宽)m充泄水体104m3输水时间(min)流量系数μ水面上升最大速度(m/min)最大流量(m3/s)超高(m)三峡280×3423.711.050.633 3.93683 1.26葛一号闸280×3428.39.150.941 5.14865 1.03船闸水力学设计首要的是选取一个合适的流量系数和充泄水时间，使其有较好的输水效率和停泊条件。

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图３ＩＩ工况尾水管截面压力分布图图４ＩＩ工况尾水管测面２的
压力分布随时间变化图
４．３压力脉动幅值的计算结果分析
在四个部分负荷工况下，分别对水轮机内的非定常流场进行了模拟，记录下引水部件４个测点和尾水管６个测点的压力随时问变化的情况，可以得到压力脉动的峰峰值，并计算出峰峰值与总水头的比值，即压力脉动的幅值。

对尾水管六个测点的脉动幅值数据进行分析，可知：（１）同一测面上２个测点的压力脉动幅值相差不大。

这说明，尾水管内压力脉动传播过程中，在同一截面上各点的脉动能量传播保持平衡。

（２）测面１上的点压力脉动幅值是测面２、３上的点压力脉动幅值的０．６倍左右，而测面２、３上的点压力脉动幅值比较接近，脉动较强。

这说明，尾水涡带从转轮出口开始发展，在弯肘段的２、３截面处发展到最强，最后流过支墩，直至出口。

因此，取测面２上２ａ、２ｂ点中压力脉动幅值较大者，作为尾水管内总体压力脉动的幅值，并与试验结果比较，同时将引水部件４个测点的压力脉动幅值记录下来，列表１如下所示。

同一工况下，比较引水部件４个测点和尾水管内的压力脉动幅值，可以看出：（１）尾水管内的压力脉动幅值最大，说明了，尾水管内的压力脉动是影响水轮机稳定运行和造成压力脉动及噪声的最重要因素，需要通过合理的水力设计，降低尾水管内的压力脉动。

（２）尾水管内的压力脉动幅值最大，转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动幅值依次减小，说明了，尾水管涡带是水轮机中压力脉动的最主要脉动源，它的压力脉动在水轮机中从尾水管向上游传播，造成了从尾水管到引水部件压力脉动的逐渐减弱。

（３）尾水管内的压力脉动，大部分工况下计算结果和试验结果接近，只在工况ＩＩ预测出更大的压力脉动，说明了计算预测压力脉动的准确和安全性。

表ｌ四个部分负荷工况下水轮机各测点压力脉动幅值计算结果及与试验的比较
４．４压力脉动频谱的计算结果分析
在四个部分负荷工况下，记录下备测点的压力随时问变化的计算结果，并对这些信号进行
三峡水轮机的三维非定常湍流计算和压力脉动分析
作者：邵奇，刘树红，戴江
作者单位：邵奇,刘树红(清华大学热能工程系)，戴江(国长江三峡工程开发总公司)本文链接：/Conference_5701389.aspx。