三峡水轮机尾水管涡带的CFD数值模拟
水轮机蜗壳的优化设计与CFD分析
水轮机蜗壳的优化设计与CFD分析王飞;王庆方;王勇军;李征;光斌【摘要】采用变速度矩法进行水轮机蜗壳的水力设计,在此基础上以变速度矩系数为设计变量,以蜗壳水力损失最小为目标函数建立数学模型,应用混合惩罚函数法针对实例进行优化设计,采用CFD数值模拟计算,将优化设计结果与传统设计结果进行比较分析,结果表明:采用变速度矩法设计的蜗壳尾端压力和水流流速都分布均匀,水力损失小,性能优越.%The hydraulic design of spiral cases of water turbines is conducted by means of the variable velocity moment method. On such a basis, a mathematical model is established by considering the coefficient of variable velocity moment as the design variable and the least hydraulic losses of spiral cases as the objective function. The mixed penalty function method is employed for the optimization design of a case study, and it is numerically simulated by use of CFD technology. The optimization results are compared with the traditional design ones. A conclusion is drawn that the pressure on spiral cases and flow velocity are both uniformly distributed after designed by the variable velocity moment method. The hydraulic losses are small, and the hydraulic performance is superior.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2012(032)005【总页数】4页(P86-88,94)【关键词】水轮机;蜗壳水力损失;CFD分析;变速度矩法;优化设计【作者】王飞;王庆方;王勇军;李征;光斌【作者单位】国家泵类产品质量监督检验中心,山东淄博255200;国家泵类产品质量监督检验中心,山东淄博255200;淄博市博山区产品质量监督检验所,山东淄博255200;淄博市博山区产品质量监督检验所,山东淄博255200;淄博市博山区产品质量监督检验所,山东淄博255200【正文语种】中文【中图分类】TK730.2蜗壳是水轮发电机组的重要组成部件，对整个机组的性能有着很大的影响。
试析CFD技术在水力机械研究中的应用
TECHNOLOGY AND INFORMATION信息化技术应用10 科学与信息化2019年10月上试析CFD技术在水力机械研究中的应用张瑜宜昌市水利水电勘察设计院有限公司重庆分公司 重庆 400000摘 要 随着计算机容量和速度的提升，CFD数值模拟技术的应用范围不断扩展，高水力性能水力机械开发便属于CFD技术的重点应用领域。
基于此，本文将简单介绍CFD技术在水力机械研究中的应用路径，并结合实例深入探讨CFD技术的应用要点，希望研究内容能够直观展示CFD技术的应用价值。
关键词 CFD技术；水力机械；LES方法前言在水力机械研究过程的CFD 技术应用中，气液两相流计算、泥沙磨损预测研究、转轮性能优化与预测、相互结合的流体和强度计算、非定常流计算均属于其中代表。
为更好发挥CFD 技术优势，满足水力机械研究需要，正是本文围绕该课题开展具体研究的原因所在。
1 CFD技术在水力机械研究中的应用路径1.1 常用方式在水力机械的研究中，气液两相流计算、泥沙磨损预测研究、转轮性能优化与预测、相互结合的流体和强度计算、非定常流计算均属于其中代表。
以气液两相流计算为例，气液两相流问题属于自然界中很多工程问题的具体表现，该问题广泛存在于水力机械内部，水泵和水轮机的空化流动便属于典型的气液两相流问题。
对于部分负荷条件下运行的混流式水轮机来说，不稳定流很容易产生于尾水管内部，呈螺旋状摆动的涡带也会因此出现，最终引发低频压力脉动，并导致空蚀、噪声、功率摆动、厂房与机组振动现象，水电站因此受到的危害同样需要得到重视。
气液两相流动属于尾水管涡带流与空化流动的本质，因此必须深入研究气液两相流动，才能够实现对尾水管流动规律的理解和掌握，满足水力机械研究需要。
在基于CFD 技术开展的以气液两相流计算研究中，结合已有的相关计算模型，如基于贴体坐标和有限体积法的气液两相湍流两流体计算模型，配合CFD 技术，即可通过数值模拟获得相关数据，为开展空化流动和尾水管涡带气液两相流动奠定坚实基础。
尾水管压力脉动与简单设计
尾水管压力脉动概述与常规设计1 前言目前，大型水轮机的稳定性已经成为日益关注的话题。
水轮机运行的稳定性，一直是困扰水电厂电力生产的难点，直接影响到水电厂能否稳定乃至安全生产，关系到国民经济的发展。
随着水轮机单机容量的提高，机组尺寸的增加，相对刚度的减弱，有些电站机组出现不同程度的振动，如国外的大古力、塔贝拉和古里电站，国内的岩滩和五强溪等电站，导致转轮叶片裂纹，尾水管壁撕裂，有的甚至引起厂房或相邻水工建筑物发生共振，危及电站安全运行，稳定性问题日益突出。
大量的文献研究表明，水力发电机组，特别是混流式或轴流式水轮机组的振动不稳定问题主要是由于尾水管压力脉动造成的。
而尾水压力脉动，除造成机组振动等危害外，还是机组出力摆动的主要根源，削弱了系统阻尼，严重时可能引发水力发电机组产生低频振荡，造成大面积停电等严重事故。
水轮机稳定性包括水力稳定性和非水力稳定性，非水力稳定性主要考虑：机械原因和电磁原因；水力稳定性从四个方面考虑：尾水管涡带、压力脉动、卡门涡和叶片出口边的脱硫，其中机组振动最主要的原因之一是由于尾水管涡带。
一般来讲，尾水管压力脉动主要是由部分负荷时尾水管涡带引起的压力脉动。
当导叶开度为0.4至0.7时或者最优流量在在0.3至0.8的范围内，此时涡带会经常出现。
而当导叶开度为0.5至0.6时，处在低负荷载载区，此时产生的压力脉动最为严重。
强烈的旋转压力脉动是当机组实际运行负荷为机组满负荷的1/3至1/5时，由涡带的旋转导致产生。
当机组部分负荷时，除了尾水管有旋转压力脉动外，有时还可以观察到同步压力波动，如果此时的尾水管涡带的扰动频率与水路系统的特征频率相符合，那么就会引起严重的压力峰值群，这将强烈导致机组振动，转轮叶片呈现裂纹，大轴松动，有时还可触发压力钢管破裂。
目前国内外，尾水管压力脉动，在混流式水轮机或轴流定浆式水轮机两种水轮机中存在普遍的现象，并且大多对机组的稳定性构成了不可评估的危害。
尾水管涡带主要指定桨式水轮机在部分负荷和超负荷的工况下尾水管中出现的一种极不稳定的水流，它所产生的压力脉动是造成这类机组振动和出力摆动的最主要的原因。
计水轮机尾水管回收能量的认识与尾水管简单设计
对水轮机尾水管回收动能机理的认识一、水轮机的尾水管的作用1、将转轮出口的水流平顺地引向下游.2、利用下游水平面至转轮出口处的高程差，形成转轮出口处的静力真空，从而利用转轮的吸出高度 。
3、回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，减少了转轮出口的动能损失，从而提高水轮机效率。
二、水轮机尾水管的工作原理由能量平衡方程：设转轮所利用的水流能量为ΔE△Ｅ=取2-2断面为基准面，则△Ｅ=() （1）（1）转轮出口没有装置尾水管水轮机没有装置尾水管，转轮出口直接与大气相通，则代入(1）式可得转轮所利用的能量为a p p =2())2(20221-∆+-=∆E h gH d υ(2)转轮出口装置圆柱形尾水管(如图所示）取5-5断面为基准面,对2—2，5—5断面列能量平衡方程式，则:由于圆柱形尾水管出口断面面积相等,代入上式化简得：代入(1)式可得转轮所利用的能量为：（3)转轮出口装置扩散形尾水管同转轮出口装置园柱形尾水管一样列能量平衡方程式,则式中 由于扩散形尾水管，则：=代入(1）式可得转轮所利用的能量为：由以上可以看出：结论： ())2(20221-∆+-=∆E h gH d υ 52255222202-∆+++=+++h g p g p h H s υγυγ())2(50222-∆+-+=∆E h g H H s d υ52255222202-'∆+++=+++h g p g p h H s υγυγ ())2(50253-'∆+-+=∆E h g H H s d υ())2(50222-∆+-+=∆E h gH H s d υ(1)没有装置尾水管时，转轮只利用了电站总水头的部分，同时损失掉转轮出口水流的全部动能(2)装置圆柱形尾水管时，与没有装置尾水管相比,此时转轮多利用了的能量。
这一多出部分称之为静力真空,它是在圆柱形尾水管作用下，转轮出口处不再是大气压而是相应的负压，由于负压存在相当于增加了作用在转轮两端的压力差.但水轮机仍然损失掉转轮出口水流的全部动能(3)装置扩散形尾水管时，除多利用了的能量外，由于尾水管出口断面的扩散作用,转轮出口处的流速由降低到，与没有装置尾水管相比，又多利用了部分的能量。
三峡水轮机的非定常湍流计算及整机压力脉动分析
三峡水轮机的非定常湍流计算及整机压力脉动分析刘树红1,邵 奇1,杨建明2,吴玉林1,戴 江3(11清华大学热能工程系,北京 100084;21湖北清江水电开发有限责任公司,宜昌 443002;31中国长江三峡工程开发总公司,宜昌 443000)摘 要:本文对三峡原型混流式水轮机进行了三维非定常湍流计算,得到了水轮机的非定常流场,预测了尾水管内、转轮前、活动导叶前、固定导叶前和蜗壳进口的压力脉动。
通过与模型试验结果进行比较可以看出,本文提供的计算结果能够准确预测水轮机内的压力脉动。
分析结果表明,尾水管内涡带及转轮与活动导叶间的动静干扰是产生压力脉动的两个主要脉动源,并在整个水轮机流道内传播。
关键词:混流式水轮机;数值模拟;压力脉动;非定常流动;动静干扰中图分类号:Tk73文献标识码:AU nsteady turbulent simulation of Three G orges hydraulic turbine and analysis of pressure in the whole passageLI U Shuhong 1,SH AO Qi 1,Y ANGJianming 2,W U Y ulin 1,DAI Jiang3(Department o f Thermal Engineering ,Tsinghua Univer sity ,Beijing 100084;21Hubei Qingjiang Hydropower Exploitation Company ,Yichang 44300231China Changjiang Three Gorge Hydropower Exploitation Company ,Yichang 443000)Abstract :In this paper ,the three 2dimensional unsteady turbulent flow is simulated through the whole flow passage of Three G orge Francis hydraulic turbine.The pressure pulsation are predicted at positions in the draft tube ,in front of runner ,wicket gate ,stay vane ,and at the inlet of spiral case.The com paris on between the calculated and the experimental results shows that the simulation calculation could simulate the pressure fluctuation in the hydraulic turbine very well.Based on the result analysis ,it is dem onstrated that the tw o main factors ,which create the pressure pulsation in the turbine ,are the unsteady v ortex rope in the draft tube and the retor 2stator interaction between wicket gates and runner.The results als o indicate that the pressure pulsation spread widely inside the whole passage from the draft tube to the spiral case.K ey w ords :francis hydraulic turbine ;numerical simulation ;pressure pulsation ;unsteady flow ;rotor 2stator interaction收稿日期:2003210209作者简介:刘树红,1965年生,女,副教授。
近坝消能区过水围堰水流特性研究r——以富春江水电站船闸改建工程为例
近坝消能区过水围堰水流特性研究r——以富春江水电站船闸改建工程为例吴启和;张国志【摘要】水利枢纽工程改扩建过程中,为协调施工与泄洪的关系,往往采用过水围堰实现枯水期挡水施工、汛期过流泄洪.汛期泄洪时施工围堰的水力指标三维性强、沿程变化较大,处于泄洪建筑物下游消能区内的围堰段受水流冲刷强度较大,而远离消能区的围堰段受冲刷强度相对较小.为寻求安全、经济的围堰防护方式,采用三维数学模型模拟了某枢纽船闸改建工程泄洪时坝下水流流场,重点分析了围堰附近流态、流速分布、涡量分布及压力分布特性.研究结果表明:下泄水流在消能区围堰附近形成水跃,强烈紊动水流顶冲围堰;在横向围堰与上游局部纵向围堰区域形成高流速、高涡量、非静压作用区域,该区域需加强防护.研究成果为该工程围堰分段、分区防护提供了科学依据,也可供类似工程参考.【期刊名称】《人民长江》【年(卷),期】2018(049)014【总页数】5页(P105-109)【关键词】过水围堰;数值模拟;流场;流速;涡量;富春江水电站【作者】吴启和;张国志【作者单位】中交第二航务工程局有限公司技术中心,湖北武汉430040;中交第二航务工程局有限公司技术中心,湖北武汉430040【正文语种】中文【中图分类】TV551.361 研究背景水利枢纽工程改扩建时，往往采用过水围堰实现枯水期挡水施工、汛期过流泄洪以协调施工泄洪关系，同时，采用过水围堰可降低导流建筑物规模，减小工程造价，加快施工进度[1-3]。
当船闸改扩建时，一般其与溢流坝同轴相邻布置，施工横向围堰与部分纵向围堰将布置于溢流坝下游消能区内，溢流坝泄洪时，下泄水流在围堰附近紊动强烈，顶冲淘刷围堰，导致围堰坡面防护难度加大。
因此有必要对过流围堰附近流场特性进行研究，为围堰防护加固提供科学依据。
贺昌海[4]、夏麻[5-6]、彭杨[7]、王圆圆[8]、刘建[9]、肖群香[10]、林陶枫[11]通过建立二维数学模型，针对具体枢纽工程围堰束窄后的河床水流特性进行了计算分析，发现围堰束窄河床后围堰区域水流发生了较大变化：围堰束窄区上游水位壅高，束窄区流速增大、水位下降，束窄区下游形成回流区等，与模型试验分析基本一致。
小开度工况下水轮机内部流场特性数值模拟研究
小开度工况下水轮机内部流场特性数值模拟研究贾允;宫汝志;李凤臣【摘要】在根据国家“十二五”、“十三五”规划,水电将成为我国电力系统的重要组成部分.随着水轮机尺寸、容量的增加,水轮机稳定性将成为机组设计过程中需要优先考虑的问题.水电站飞逸试验时,曾在小开度工况出现超过可接受范围的振动,使得对水轮机小开度下的水力稳定性得到广泛关注.本文采用RNG k-ε模型对某水轮机模型小开度工况进行了CFD分析,获得模型机外特性曲线,研究了导叶小开度状态下机组内部流场演变规律及流场特点,分析了导致流动不稳定的原因.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】7页(P54-59,64)【关键词】流体机械;流动稳定性;CFD;小开度工况【作者】贾允;宫汝志;李凤臣【作者单位】哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001;哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TK730.20 引言三峡机组在进行小开度过速试验中曾出现振动严重超出允许范围的现象[1]，蜗壳压力脉动超过水头的50%，导致机组出现强烈振动。
为了避免机组的异常振动，工作人员不得不延长导叶的关闭时间[2]。
而过长的关闭时间将导致机组转速的持续攀升[3]，对安全运行及辅助设备性能保证产生威胁，从而带来并网困难。
另一方面，在国家“十二五”、“十三五”规划指导下，作为优质清洁的可再生能源，水电将成为我国电力系统的重要组成部分[4]，当前以乌东德、白鹤滩等为标志的巨型水电机组已启动开发。
因此有必要通过理论研究和数值计算方法对小开度工况下水轮机内部流动细节进行分析。
通过研究水轮机流场，寻求避免水轮机异常振动的有效方法。
早期针对过渡过程的计算只局限于图解或解析等近似算法[5]，当前，水轮机过渡过程计算与计算机应用深入结合，多采用Streeter和Wylie提出的特征线法[6,7]。
翼型涡轮内部流场CFD数值模拟
高校图书馆作为高校的辅助教 学部门 。自身具有 服务育人的重要 耿能 ，图书馆工作人员在服务过程 中思想 上始终 要树 立服务育人的理 念 ，在服务过 程中的言沦 、行动和服 务质 量。一方 面反映 了工 作人 员 的综合素质 ，另一方面体现 了教育 者的崇高形象 。服 务过程 中馆员的 专业 技术 、 化素质 、 文 职业道德 的体现过程是对学生渎 者一次现 实性 的教育 和引导 ，在 服务过程 中要做 到点滴细 微 、潜移 默化 、坚持 不
涡轮 电机的主要部 件是装 置中的叶轮 ，叶 轮在高 压流体 的冲击
■ 一一 ＿鬻
图９ 叶 轮 进 口处 速 度 图 围 ｌ 叶轮 出 口处 速 度 图 ｎ
图 ７ 定 子 进 口 处压 力 图
由Ｃ Ｄ， Ｆ ￣＂ ｒ Ｊ 该叶轮 的内流场分析可知 。叶片宽度较小时 ，流体在沿 叶片 流动时不易声 生涡流 ，在出 口也 不易产生回流。叶轮采用等螺距 Ｆ
承的轴 向载荷 ； 背面轴ｒ 速度很小 ，压力也受 到影 响有所 下降 ，严 在 ｕ Ｊ 重时可能会发 生汽蚀现 象 在叶 片底端 出口处 ，流体在 该面上形 成滞 留区 ，速度非常小 ，压力也 较小 ，不利于能量 的充分利用 。因此 ，应 尽量减少叶片 顶面 和底面的面积 ，可对此 处进行 圆角或倒 角处理 ，这 样可以改善叶片进 口和出 口处的流动情况 ，但会给 加工带来不 。 ｆ ）涡轮特 性研究 。图 ｌ是流 量为２ １和２ １ 时的功 率与转速 ２ ｌ ５ｓ ９ ｓ ／ ／
转含模构■ 对密域）— 刚，的具■ 坐生流化 — 格。型旋 ＿ 网有用。■ 标固动■－ 进其如一■ 格成六 ＿ （没面■■ 下的问 行余（ ■ｒ 进体幽—， ）置 解计体 划的题 行边４ 边。所 决算结 分界示 加区。 界本 体 条文 件在
水泵水轮机“S”形区全流道数值模拟
ｐ ｕ ｍ ｐ — ｔ ｕ ｒ ｂ ｉ ｎ ｅ ｓ［ Ｊ ］ ．Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｆ ｌ ｕ ｉ ｄ ｓ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ，
稳定 等 问题 ¨ ． 当流 量 小 于 ０ ． ４ Ｑ Ｂ Ｅ Ｐ 时， 既 飞 逸 工况
附近 ， 数值模拟精度 出现不足 ， 试验数 据采集过程
中此 区域 稳定 性也 较 差 ． 这 主 要 由于在 小 流 量 区流
８， １ ２ ６， ５ ０
４． ８９
场 内流动 状 态 复 杂 引起 ． 通 过 计 算 结 果 可 以看 出 ， 数值 模拟 的趋 势 同试 验 结果 吻合 良好 ， 最 大误 差 为 ２ ． ６ ４ ％， 出现在 ０ ． ４ Ｑ Ｂ Ｅ Ｐ 工况点附近， 满 足数 值 计 算
（ ）
Ｑｌ ｌ ＝
，
（ ２ ）
式 中： １ １ ， 为 单 位 转 速 ； Ｑ为计算 流量 ； Ｈ 为 计 算 水
头； Ｑ 为单 位流 量． 计算 结果 如 图 ４所 示．
Ｒ Ａ Ｎ Ｓ和大 涡 模 拟 （ Ｌ Ｅ Ｓ ） 的优点 ， 即 在 近 壁 区采 用 Ｒ Ａ Ｎ Ｓ 计算 ， 在 湍流充 分发 展 的 区域 采用 Ｌ Ｅ Ｓ计算 ， 此 模型 在 应 用 于 流 体 机 械 中存 在 大 的分 离 流 动 情 况 下取得 很 好 的模 拟 效果 ＿ ｌ ．
为满足 Ｄ Ｅ Ｓ 模 型对 近壁 区网格的要求 ， 调 整近壁
区网格密度使 】 ／ 值尽 可能接近 １ ．Ｙ ＝
； Ｐ为
ｎｎ／ ｎＩ 】 Ｂ Ｅ Ｐ
流体的密度 ； ｕ为壁面摩擦速度 ； ａ ｙ为近壁 点到壁面 的 距离 为流体 的黏度． 转轮叶片与活动导 叶的 Ｙ 如 图 ３所示． 可以看 出 ， 转轮及活动导叶壁 面 Ｉ ， 值 主要分布 在 ３左右 ， 基本满足 Ｄ Ｅ Ｓ对边 界层 网格 的要求．
混流式水轮机部分负荷下尾水管压力脉动试验研究
图 5 涡带频率与水头关系曲线
管强涡带区压力脉动与大轴摆度、顶盖振动和机架振动等机组的各个动力学参数均出现峰值，且具
有相同的主频，其主频与尾水管涡带频率一
致，说明此振动峰值并非由尾水管特殊压力脉
动［10］引起，而由涡带工况导致。在强涡带区负
荷以外的部分负荷中，虽然尾水管仍以涡带频
率主频，而大轴摆度、机架振动主频则为转
振动+X
振动+X
振动+X
1.250 1.250 0.017 0.367 0.333 0.300 0.300 1.250 1.250 1.250
1.250 1.250 0.017 2.500 0.333 2.500 0.300 2.500 2.500 2.500
1.250 0.017 0.017 1.250 0.333 0.300 0.300 0.017 1.250 1.250
收稿日期：2009-06-25 作者简介：张飞（1983-），山东枣庄人，工程师，主要从事水力机械现场测试研究。E-mail：spiritgiant@
— 1234 —
次，250~500MW 每 20MW 调一次，大负荷区每 10MW 调整一次，依次调整到允许的最大负荷工况。 数据采集方式：降负荷过程中，连续采集数据，整个时间长度 10min 左右；升负荷时负荷调节后，
文献［13］假设尾水管内流动为定常理想流动，忽略液体黏性，理论计算得出涡带的频率为
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第34卷第7期Z 006年7月华中科技大学学报(自然科学版>J .HuaZhon g Uni v .of S ci . T ech .(Nat ure S ci ence Editi on >Vol .34No .7Jul y Z 006收稿日期!Z 005-0Z-Z 4.作者简介!张双全(1969-> 男 讲师;武汉 华中科技大学能源与动力工程学院(430074>.E -m ail :hust -Zs C ＠163.co m基金项目!国家自然科学基金资助项目(50309013>.三峡水轮机尾水管涡带的CFD 数值模拟张双全1符建平Z 段开林Z 万鹏1!1华中科技大学能源与动力工程学院"湖北武汉430074#Z 三峡水力发电厂"湖北宜昌443000$摘要!采用非定常雷诺应力湍流模式对三峡水轮机尾水管内的流动进行了数值模拟.分析了涡带的运动规律及其产生的水压力脉动的频率特性与相位特性和计算结果产生误差的原因给出了改进的措施.研究结果表明 采用非定常雷诺应力湍流模式可以预测到尾水管内水压力脉动的频率特性 与现场试验的结果符合.关键词!水力发电;湍流模式;尾水管;涡带;压力脉动中图分类号!TM 61Z 文献标识码!A 文章编号!1671-451Z (Z 006>07-0019-0ZCFd nu m erical s i mul ati on of t he vortex i n t he draft t ubeof Three G or g es i t urbi neZhan g Shuan gI uan Fu j ian P in g Duan Kailin W an Pen gAbstract :Thi s p a p er nu m eri call y si mul at ed t he fl o w i n draf t t ube of t he Three Gor g e,s p r ot ot yp e u-si n g non-st ead y RNS t ur bul ence model and det ail ed anal y Zed t he l a w of moti on of t he vort ex r o p e as well as t he f re C uenc y and p hase charact eri sti cs of t he wat er p ressure p ul sati on p r oduced y et it .Addi-ti onall y t hi s p a p er anal y Zed t he reason of err or of si mul at ed results and i m p r ove m ent m et hod .The research i ndi cat es t hat usi n g t he non-st ead y RNS t ur bul ence model can p redi ct t he f re C uenc y charac-t eri sti cs of t he p ressure p ul sati on i n draf t t ube and t he result cl ose a g ree m ent w it h t he fi el d t est .Ke y words :wat er p o wer ;t ur bul ence model ;draf t t ube ;vort ex r o p e ;p ressure p ul sati onZhan g S huan g<uan Lect .;Coll e g e of Ener gy and Po wer En g i neeri n g HuaZhon g Uni v .of S ci .T ech . W uhan 430074 Chi na .对尾水管的空腔涡带引起的水压力脉动国内外都很重视.一般来说 尾水管的空腔涡带发生在部分负荷工况 且常表现为尾水管的低频压力脉动 特征相对明显.空腔涡带与转轮的出口流态密切相关 从转轮设计的角度而言如何控制尾水管的空腔涡带引起的压力脉动事实上就是如何控制转轮叶片和泄水锥的形状使之在较宽的运行范围内都具有良好的出口流态.在影响机组稳定性的因素中 可以说对它的研究和探讨是相对较多的[1].本文采用非定常雷诺应力湍流模式对三峡真机尾水管进行了动态数值模拟 分析了其内涡带的运动规律 及其引起的压力脉动的频率特性及相位特性.三峡机组的运行特点三峡电站举世瞩目 对国民经济电力系统举足轻重\影响深远.三峡机组是电站的核心设备 水轮机的安全\稳定运行在电站处于一个及其重要的位置.由于三峡工程为防洪\发电\航运等综合利用工程 水库调度必须兼顾各种运行方式的需要.在汛期因防洪的限制低于80m 水头运行 而非汛期则尽量维持高水位运行 这种运行时间H两头大9中间小H的特点意味着三峡机组长时间偏离最优工况较远的非设计工况运行9这对混流式水轮机来说运行工况是极其不利的.若研究不深入\考虑不周到9将严重威胁机组的安全稳定运行.综合来讲9三峡机组的运行工况有如下几个特点C a.水轮机需适应分期蓄水初期和后期两种水头条件9水头变幅大S b.水轮机在高水头(100～110m)及低水头(H<78.5m)的运行时间比较长S c.机组运行时负荷变化剧烈S d.下游水位有一定的变幅.运行稳定性是水轮发电机组长期安全运行的重要保证.三峡电站水轮发电机组是世界上最大的水电机组之一9水轮机额定出力710MW9最大出力为85Z MW9水轮机的外形尺寸和质量也是混流式水轮机之最9加之以上所提及的运行工况的特殊性及复杂性9机组能否在这些苛刻的运行条件下稳定运行9是水电界普遍关注的问题.因此对三峡机组在各种运行工况下稳定性的全面研究是十分重要的9尤其是要对机组在高\低水头下的运行稳定性问题进行深入地研究.2湍流模式的选择由于剪切层的非各向同性9使得e-E系列湍流模式不能预测到尾水管中螺旋形涡带的产生9而微分雷诺应力湍流模式在模化过程中考虑湍流脉动的各向异性9并在方程组中加入了漩流效应9同时雷诺应力湍流模式在对于湍流耗散率E的模化比e-E湍流模式要更精细一些9能够比较准确地考虑湍流的耗散性9因此采用基于湍流雷诺应力各向异性的湍流模式才能比较准确地模拟尾水管中螺旋形涡带的产生[Z.因此9本文采用非定常雷诺应力湍流模式对三峡尾水管进行CFD数值模拟.3数值模拟边界条件的处理图1所示为三峡真机尾水管的计算域.将稳态数值模拟中转轮出口的速度分布作为尾水管的进口边界条件9其中速度分布以圆周速度(Vu )\径向速度(Vr)\轴向速度(VZ)三个分量沿半径R分布的形式给出9此分布以拟合多项式表示9如图Z所示.尾水管出口边界条件设定平均压力为零9即不考虑水轮机吸出高度对于尾水管涡带及其产生的水压力脉动的影响.4数值模拟结果的分析图3给出了不同时刻尾水管内涡带形状的变化规律.图3尾水管涡带随时间的变化规律从图中可清楚地看到9利用非定常雷诺应力湍流模式可以准确预测到尾水管内螺旋形涡带的行状.随着时间的推移9螺旋形涡带绕尾水管中心旋转9从而周期性地影响其内的速度场及压力场9产生水压力脉动.为了更好地说明问题9图4给出尾水管直锥图4尾水管参考面压力云图随时间的变化图5参考平面段某一个参考平面(图5)上的压力云图随时间的变化规律.从图中可以看出9参考!下转第Z3页"0Z华中科技大学学报(自然科学版)第34卷验的负载位移曲线同样可以求出每幅图曲线下的面积.其横向平均单位面积上的理论有效功耗K h=11.16>10-3J/mm Z(多幅图平均值>.单位质量的甘草粉碎到给定粒径(d>所需要的理论有效功Wef可根据式(3>求得.根据式(4>可以求得粉碎机的粉碎效率其中总功Wt o可以直接通过粉碎设备上相应的电流~电压或电功率表上的读数获取.这样不同的中药材粉碎工艺~设备就可以相互比较并以此找出节能的有效途径.以甘草为例可以求出理论有效功耗的值.经过实验统计抽样可以把实验所用的甘草按尺寸分成三组其每公斤的参数如下=n=3;D1= 3mm m1=40;D Z=7mm m Z=90;D3= 9mm m3=4Z;L i=Z00mm.假设甘草粉碎后的粒径为0.01mm.这样将上面的参数和已求出的单位面积上的有效功代入式(3>可得每公斤甘草粉碎成0.01mm的颗粒所需要的理论有效功耗为51Z8.86kJ.参考文献1]李启衡.粉碎理论概要M].北京=冶金工业出版社1993.Z]李凤生.超细粉体技术M].北京=国防工业出版社Z000.3]郑水林.超细粉碎M].北京=中国建材工业出版社1999.4]国家药典委员会.中华人民共和国药典(一部>M].北京=化学工业版社Z000.5]徐瑛.根茎类中药基本物性的实验研究D].武汉=华中科技大学能源与动力工程学院+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++Z004.!上接第Z0页"平面中的低压区随着时间的推移以顺时针方向运动此时低压区的运动方向与转轮的旋转方向相同.为了分析尾水管内水压力脉动的特性(包括频率特性和相位特性>在尾水管靠近管壁的地方取了3个参考点通过这三个点的压力随时间的变化规律分析了尾水管压力脉动的幅值~频率~相对压力脉动丛H/H等特性.结果表明尾水管压力脉动频率的CFD数值模拟结果与现场试验的结果是一致的但是压力脉动的幅值存在较大的差异.另外尾水管内低频水压力脉动的频率在直锥段基本上是一样的但其相位及幅值却随着位置的不同而不同.采用非定常雷诺应力湍流模式可以预测到尾水管内压力脉动的频率特性但是其幅值特性与试验的结果存在较大的差异.分析其原因主要有以下三点=a.在使用雷诺应力模型进行动态数值模拟的时候没有考虑到下游水位对尾水管压力脉动的影响这一点可能是主要的原因;b.在给定尾水管进口边界条件时假定入流为轴对称与实际的流动有差别;c.由于机组在实际运行的过程中压力的变化会引起流量的变化而在计算中流量是给定的因此也会对计算结果带来一定的影响.参考文献1]陶星明刘光宁.关于混流式水轮机水力稳定性的几点建议J].大电机技术Z00Z(Z>=40-44.Z]李连超崔学明常近时.湍流理论的发展及其在水轮机中的应用J].水利水电技术Z00Z33(10>=19-Z1.3Z第7期刘根凡等=根茎类中药粉碎理论有效功耗的研究三峡水轮机尾水管涡带的CFD数值模拟作者：张双全， 符建平， 段开林， 万鹏， Zhang Shuangquan， Fu Jianping， DuanKailin， Wan Peng作者单位：张双全,万鹏,Zhang Shuangquan,Wan Peng(华中科技大学,能源与动力工程学院,湖北,武汉,430074)， 符建平,段开林,Fu Jianping,Duan Kailin(三峡水力发电厂,湖北,宜昌,443000)刊名：华中科技大学学报（自然科学版）英文刊名：JOURNAL OF HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(NATURE SCIENCE)年，卷(期)：2006,34(7)被引用次数：5次1.李连超;崔学明;常近时湍流理论的发展及其在水轮机中的应用[期刊论文]-水利水电技术 2002(10)2.陶星明;刘光宁关于混流式水轮机水力稳定性的几点建议[期刊论文]-大电机技术 2002(02)1.梁兴.郭磊水轮机内部三维湍流计算方法概述[期刊论文]-人民黄河 2010(3)2.辛晟.梁兴水轮机内部湍流计算方法研究[期刊论文]-水利科技与经济 2009(9)3.卢浩.于波.赵文.鄢恒飞基于CFD的水轮机导叶空蚀研究[期刊论文]-科技创新导报 2008(33)4.姜治兵.槐文信.韩继斌.杨中华高拱坝下游水垫塘内流场的数值模拟[期刊论文]-华中科技大学学报（自然科学版） 2008(2)5.曲洋轴伸贯流式水轮机尾水管三维流场的数值模拟[学位论文]硕士 2007本文链接：/Periodical_hzlgdxxb200607006.aspx。