论文部分内容阅读
近年来，越南对现有水电站进行改造以扩大水轮机安全运行区间的需求不断增加，采用长短叶片转轮的混流式水轮机也逐渐受到关注。增大混流式水轮机的安全运行范围可以增加其在非设计工况的运行寿命。混流式水轮机尾水管在非设计工况下的流动具有严重的流动不稳定性，并会出现如同螺旋/柱状的旋涡涡带。了解此类旋涡的周期过程以及尾水管内涡带的形成，对于防止结构振动和保障非设计工况下的安全稳定运行而言非常重要。因此，本研究的主要目的是利用CFD数值模拟来分析长短叶片混流式水轮机尾水管内空化涡带的形成机理及演化规律。本文的主要工作及创新性研究成果如下：
(1)本文采用Zwart空化模型和剪切应力输运湍流模型对Francis-99水轮机尾水管空化流动特性进行了数值模拟。分析了两种空化涡带(螺旋涡带和柱状涡带)的形状特征及其对转轮叶片空化发展的影响。结果表明，长短叶片混流式水轮机在不同工况下的转轮叶片空化分布都是对称的，采用长短叶片的流道明显改善了空化现象。基于涡量输运方程的分析进一步阐明了尾水管内空化与涡带的密切联系。斜压扭矩项在尾水管内空化涡带的形成与脱落过程中具有显著影响。涡的拉伸扭曲项在尾水管内涡量的生成中占据了主导地位，并表示涡的拉伸扭曲项是尾水管内涡带的主要影响因素。此外，Q-准则很难准确地捕捉涡带结构与周期过程，阈值的选取具有较强的主观性。
(2)为了保障机组在非设计工况下的平稳运行，必须了解涡带的周期性演化规律及形成机理。然而，涡带结构极其复杂，而且往往与空化相伴而生。传统的涡识别方法都有一个共同的缺点，那就是需要选取一个合适的阈值。本文将Liutex方法与传统的Q准则，Omega方法对比分析了尾水管涡带周期规律。结果表明，Liutex方法比Q-准则更能够突出表现涡带的特征。Liutex方法能给出尾水管内涡的破裂过程和涡带的演变过程，有助于理解尾水管内空化湍流的发展过程。
(3)Liutex方法的优点在于利用涡心线表示涡带结构，可以有效避免阈值选择主观性的影响。此外，由于很难确定整个涡结构的边界面，因此仅聚焦在涡心线上可以标记出不同的涡强度。结果表明，Liutex方法可以给出独特的涡结构(与阈值的选取无关)，准确地刻画涡带在尾水管中的演化过程。为了进一步深入阐明涡带的演化规律，本文采用Liutex线分析尾水管涡带的特性，该结果清晰地表示涡带的周期演化与旋转频率。
(4)本研究揭示了尾水管内漩涡对水力损失的影响。采用熵产法对Francis-99水轮机的水力损失进行了分析，并与尾水管内的漩涡进行了对比。进一步阐明了尾水管涡带对水力损失的影响。结果表明，尾水管内空化涡带的演变行为会显著影响当地Liutex值的分布涡量分布，进而增强尾水管内当地的局部熵产生率，最终引起当地的流动损失。
(1)本文采用Zwart空化模型和剪切应力输运湍流模型对Francis-99水轮机尾水管空化流动特性进行了数值模拟。分析了两种空化涡带(螺旋涡带和柱状涡带)的形状特征及其对转轮叶片空化发展的影响。结果表明，长短叶片混流式水轮机在不同工况下的转轮叶片空化分布都是对称的，采用长短叶片的流道明显改善了空化现象。基于涡量输运方程的分析进一步阐明了尾水管内空化与涡带的密切联系。斜压扭矩项在尾水管内空化涡带的形成与脱落过程中具有显著影响。涡的拉伸扭曲项在尾水管内涡量的生成中占据了主导地位，并表示涡的拉伸扭曲项是尾水管内涡带的主要影响因素。此外，Q-准则很难准确地捕捉涡带结构与周期过程，阈值的选取具有较强的主观性。
(2)为了保障机组在非设计工况下的平稳运行，必须了解涡带的周期性演化规律及形成机理。然而，涡带结构极其复杂，而且往往与空化相伴而生。传统的涡识别方法都有一个共同的缺点，那就是需要选取一个合适的阈值。本文将Liutex方法与传统的Q准则，Omega方法对比分析了尾水管涡带周期规律。结果表明，Liutex方法比Q-准则更能够突出表现涡带的特征。Liutex方法能给出尾水管内涡的破裂过程和涡带的演变过程，有助于理解尾水管内空化湍流的发展过程。
(3)Liutex方法的优点在于利用涡心线表示涡带结构，可以有效避免阈值选择主观性的影响。此外，由于很难确定整个涡结构的边界面，因此仅聚焦在涡心线上可以标记出不同的涡强度。结果表明，Liutex方法可以给出独特的涡结构(与阈值的选取无关)，准确地刻画涡带在尾水管中的演化过程。为了进一步深入阐明涡带的演化规律，本文采用Liutex线分析尾水管涡带的特性，该结果清晰地表示涡带的周期演化与旋转频率。
(4)本研究揭示了尾水管内漩涡对水力损失的影响。采用熵产法对Francis-99水轮机的水力损失进行了分析，并与尾水管内的漩涡进行了对比。进一步阐明了尾水管涡带对水力损失的影响。结果表明，尾水管内空化涡带的演变行为会显著影响当地Liutex值的分布涡量分布，进而增强尾水管内当地的局部熵产生率，最终引起当地的流动损失。