基于空化流动计算的混流式水轮机尾水管的压力脉动

ISSN 1000-0054CN 11-2223/N

清华大学学报(自然科学版)J T singh ua Un iv (Sci &Tech ),2008年第48卷第6期

2008,V o l.48,N o.616/38

972-976

基于空化流动计算的混流式水轮机尾水管的压力脉动

周凌九1

,　王正伟

2

(1.中国农业大学水利与土木工程学院,北京100083;2.清华大学热能工程系,北京100084)

收稿日期:2007-02-28

作者简介:周凌九(1969—),女(汉),湖北,教授。

E -mail :zlj 09@

通讯联系人:王正伟,教授,E-mail:w zw @mail.ts inghu

摘　要:为了保证混流式水轮机运行安全,分析了尾水管内部的空化流场。假设气液混相均质,并考虑不可凝结气相,采用基于组份输运方程,求解了尾水管内气液混相均质流的雷诺平均N -S 方程以及气相组分输运方程。结果表明:不同装置空化系数下尾水管压力脉动主频率变化不大,但在极低的装置空化系数下,削波现象导致更低频率成分的出现。在较大的装置空化系数下,空化涡带直径较小,压力脉动幅值随装置空化系数的变化不明显;当装置空化系数小于某一临界值后,随装置空化系数的降低,压力脉动幅值增加并达到一个最大值。计算结果解释了模型试验现象。关键词:尾水管;空化涡带;压力脉动;空化流计算中图分类号:T V 136

文献标识码:A

文章编号:1000-0054(2008)06-0972-05

Pressure fluctuations in a Francis turbine draft tube calculated by cavitating flow

simulation

ZHO U Lin gjiu 1

,WANG Zhen gwei

2

(1.College of Water Cons ervancy and Civil Engineering ,China Agricultural University ,Beijing 100083,China ;2.Department of T hermal Engineering ,Tsinghua University ,

Beij ing 100084,China )

Abstract :Vortex cavitation s in a Fran cis turb ine draft tube were sim ulated to study the turb ine safety by solving the 3-D uns teady Reynolds averaged Navier-S tok es equations w ith a trans port-equation-based cavitation model of ps eu do-homogeneous flow theory.Th e r esu lts s how that the Th omas nu mber ,R p ,has little influence on the m ain frequencies of the pres sure fluctu ations.How ever ,for very s mall R p values ,th ere are low er frequencies compon ents in th e press ure fluctuation spectrum since the troughs of the pres sure w aves are “cu t-off ”at th e vaporization press ure.For large R p values,the pres sure fluctuation amplitudes vary little with the R p value s ince the cavity rope diameter is sm all.As the R p value decreases the cavity vortex rope becom es thick er an d the press ure am plitudes increase rapidly to the m axim um.Th e calculated res ults ag ree w ell w ith experimental data to give reasonable explanations to the phenomena in model tests.

Key words :draft tube;cavity vortex r op e;pressu re fluctu ations ;

s imulation of cavitating flow

混流式水轮机在部分负荷下出现的尾水管空化涡带是诱发水轮机振动、管道系统水力共振、叶片裂纹等安全问题的主要原因之一。国内外对混流式水

轮机在部分负荷下尾水管压力脉动的研究已越来越深入。目前通过数值计算已经能较好模拟模型试验中观察到的涡带,预测的压力脉动特征与试验值也

有一定程度的吻合[1]

;对尾水管内涡带产生机理的认识也更加清晰[2]

。但尾水管中的空腔涡带问题又是一个十分复杂的两相流问题,而目前大多数相关文献都采用了单相不可压流体的假设,由此获得的计算结果不能准确全面预测实际工程中观察到的一些现象,比如无法考虑装置空化系数对涡形态及压力脉动的影响。

为此,本文采用气液混相均质假设和基于组分输运方程的空化模型,通过求解气液混相均质流的雷诺平均N-S 方程以及气相组分输运方程,并考虑不可凝结气相(no n-condensable gas,NCG )的影

响,计算了混流式水轮机尾水管内部的空化流场。

1　计算方法

1.1　空化流计算方法

近几年空化流的计算方法正在快速发展。早期的空化流计算主要采用界面追踪思想。一般以势流理论为基础,对空泡界面采用不同的空化模型加以封闭,在离散方法上基本上都采用了奇点分布法或面元法。近几年发展起来的VOF 模型为基于界面追

踪思想的方法提供了新的思路[3]

。这类基于界面追踪思想的模型更适合计算具有明显空泡边界的片状空化等现象。1992年Kubo ta 等人[4]

提出基于气液混相介质的空化计算模型,并以Ray leig h -Plesset