水力学论文

水力学期末作业

水轮机内部涡流与尾水管压力脉动相关性分析

姓名：朱煜浩

学号：201110202127

学校：昆明理工大学

学院：冶金与能源工程学院

专业班级：热能与动力工程工程111班

致谢

在大三学年，2个学期水力学的任课老师都是王霜老师，首先我表示衷心的感谢，王老师渊博的知识、严谨的治学态度以及对待同学正直热情的风范，我十分佩服，我喜欢这样的老师。虽然上学期的水力学期末考试，王老师评卷十分严谨，同学们的最后分数不是那么理想，但是我相信王老师的原则是公平公正的，王老师对教学任务的规划的严谨态度以及对同学们的要求是合理的，我有个小小的建议，课堂上，王老师也可以策划一个课堂的互动环节，答疑环节，也许这对下学期的考查课有帮助，课堂气氛不是那么的沉闷，同学们也不会为了混学分而被动的上课，另外课堂PPT也可以插入一些关于水力学的课外知识，例如立体力学分析ANSYS ，FLUENT软件，勾起同学们课下学习的兴趣。在此，我向王老师致以崇高的敬意和深深的谢意。

水轮机内部涡流与尾水管压力脉动相关性分析

摘要：本文对三峡水轮机模型机组进行了全流道非定常湍流数值模拟，选择了2个活动导叶开度工况，分别计算不同流量下水轮机尾水管内的旋涡流动。计算结果能够清楚显示尾水管涡带的形成和发展，及尾水管内各个记录面上的压力脉动和相应的旋涡转动周期有密切的关系；同时，还表示了旋涡沿流动方向的产生、发展和消失的过程，及其对于压力脉动的形成的影响作用。通过分析发现，形成涡带的旋涡运动是从上冠附近进入到尾水管的，类似于绕流体的脱体涡，说明对于上冠附近流场的研究有助于进一步探讨涡带运动形成机理和减小压力脉动措施。

关键词：流体机械；水轮机；尾水管；压力脉动；内部祸流

1 前言

由于叶片设计技术水平的提高，混流式水轮机达到了很高的水力效率，而运行的稳定性成为目前水轮机研究的热点。其中，水轮机尾水管涡带的产生、发展和消散，及其所引起的压力脉动对于机组稳定性有很重要的影响，能够造成转轮叶片出现裂纹，通流部件乃至整个厂房的振动，对运行造成巨大的危害。目前对于水轮机尾水管内部涡带运动和压力脉动已经有研究成果。在试验方面，已分别对真机和模型机组的尾水管进行了压力脉动测量。试验研究的优点是能够获得非定常流动信号，同时还可考察速度分布、环量等因素对压力脉动的影响，缺点是实施难度较大；在流动分析方面，开展了水轮机尾水管单个部件或

水轮机整机的数值模拟，可以得到各断面上的压力分布和速度分布，并通过频谱分析获得脉动的主频值。

本文对模型水轮机全流道进行非定常三维湍流数值模拟，得到尾水管内部的漩涡流动随时间的变化规律，通过分析尾水管的旋涡核心半径变化，运动周期和轴向运动速度，并考察尾水管的压力脉动，得到压力脉动频率和旋涡周期性间的关系。

2 数值计算模型和方法

2.1计算对象

计算对象为一个水轮机模型机组，比转速为251.148m ·kw ，转轮直径350mm ，所选择的计算区域为整个水轮

机全流道，即从蜗壳进口到尾水管出口，包括蜗壳、导叶、转轮和尾水管四大部件。选择2个活动导叶开度，18度和34度工况，进行对比计算。各工况的水头相同，为30m ，转轮的转速为124.38／s 。根据确定的出口平均静压计 算进口总压值

p a )z 2,z 1ρg(ρgH p n +-=

其中，Ρn ，Ρa 分别为进出口面上的加权平均总压，z1， z2为流道进出口面的平均高度。计算工况的水力参数见表l 。

2.2数值计算方法

1．网格划分。网格的密集程度和分布以及类型等对于计算结果影响是很大的。如果只考虑系统的宏观指标，如水力效率，流量等，是可以允许较粗的网格的。但是当研究复杂的内部流动，尤其是高雷诺数下的湍流时，过粗的网格会导致

流动细节的丢失。本文利用六面体网格划分水轮机大部分部件，因为六面体网格的规则特性可以在同样的网格尺度下最大程度的减小网格数量，这样就可以提高计算速度。具体的模型网格尺寸划分见表2。

表1轮机模型计算水力参数 计算水头

（m ）

导叶开度 （度） 进口总压 （Pa ） 出口总压 （Pa ） 流量（Kg/s ）

30

18 391910.5 给定分布 366 30 34 403938.0 给定分布 700 表2模型水轮机网络尺寸

部件 蜗壳 导叶 转轮 尾水管

网络类型 六面体 四面体 六面体 四面体 六面体 网络尺寸 12 12 5 7 6 8 10

网络格数 250920 59858 184118 542800 140635 408534 238776

2．方程离散和差分格式。本文采用有限体积法对控制方程进行离散求解。时间项采用全隐式离散；扩散项和压力项采用中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式。压力和速度采用SIMPIEC 方法进行耦合求解。

3．非定常计算和湍流模型。为了预测水轮机内部压力脉动，本文进行水轮机全流道非定常稿流计算。由于需要考虑到频谱分析的需要，时间步长定为转轮转动周期的l ／100。根据转速n=124，38rad ／s ，计算得到非定常时问步长为：

7s 0.00050517124.38

1002πn 2πT =⨯==错误！未找到引用源。 湍流模拟采用大涡模拟方法，滤波器采用盒式滤波函数，滤波后的不可压缩湍流太涡模拟的连续性方程和动量方程方程为：

0x u i

1=∂∂ j

ÿi j 1j j 1j 1x τρ1x p ρ1)x u (x υ)u u (x t u ∂∂-∂∂-∂∂∂∂=∂∂+∂∂错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 其中j u 1u ρj u 1u ρÿ

τ-=亚格子应力，由涡粘模型公式

:

其中，错误！未找到引用源。是求解尺度下的应变率张量，为亚格子尺度的湍流粘性系数。引入Smagrovsky 模型进行封闭：

2.3边界条件

为了真实模拟给定工况下东轮机内部的非定常流动，选用压力进出口条件。其中进口考虑蜗壳直径较小，采用给定统一的进口总压和静压作为人流条件，根据总压定义可自动计算出人口速度作为初值；出口考虑尾水管高度较大，给定考虑重力的压力分布。认为尾水管出口最高点具下游水面距离1m ，然后根据p=pa+ρg(Δh+1)计算出各点压力。其中，Δh 为网格点到尾水管出口最高处的距离。

在非定常计算中，转动部件只有转轮(包括上冠、下环、泄水锥和叶片)，给定转速和转动轴方向，固壁上满足无滑移条件。根据设定的时间步长求得转动的角度间隔．在每个时间步中转轮网格转动3.6度。