基于雅鲁藏布江高原环境影响的水轮机空化特性研究

The extreme environment features such as high-altitude, low-pressure, extremely cold temperature, which are peculiar to hydropower plant on Yalu Tsangpo River in Tibetan plateau area，lead to the difficulties in the determination of installation elevation and operating stability of the units, prohibiting the widespread use of such hydropower plant in plateau area. To overcome these problems, theoretical analysis, numerical cavitation simulation and experimental study on cavitation mechanism though water tunnel tests. By studying the influence of natural environmental factors such as low temperature, low pressure and low oxygen content in the plateau region on the critical cavitation, the cavitation model and the relevant empirical parameters are modified to realize the high precision numerical simulation of the cavitation instability of the plateau turbine and in-depth exploration of the cavitation mechanism. This study will facilitate improved understanding of the plateau hydro-turbine cavitation and proposition of guidelines on turbine design and installation, which provides the basis for the design and safety operation of the plateau hydropower station

奔流于青藏高原南部的雅鲁藏布江是世界上海拔最高的一条大河。沿江修建的水电站地处“世界屋脊”的高海拔、低气压、极寒等严峻自然条件下，在水轮机组的设计、安装、运行，尤其是空化特性上，都有别于常规水电站。为了高效开发利用雅鲁藏布江水资源，本申请从理论分析、试验和数值模拟三个层面开展高原环境因素影响下的水轮机转轮空化性能研究，通过研究高原地区高寒、低压、流体介质低含氧量等自然环境因素对临界空化的影响，对空化模型及相关的经验参数进行修正，从而实现对高原水轮机空化不稳定流动的高精度数值模拟及空化机理的深入探究，并据此提出适用于高原地区的水轮机设计安装准则，为高原水电站的设计改造和安全稳定运行提供依据。

研究高寒地区水轮机空化作用的机理，是提高水轮机在高寒地区高效运行的一项关键技术。本项目以高原水轮机模型为载体，调查雅鲁藏布江的外部环境参数，通过实验、数值计算和理论分析的方法，以水轮机的基础参数和雅鲁藏布江外部参数输入条件，构建了水轮机流体动力学参数与含氧量、气压和水温之间的关联模型：基于高原水轮机试验台，完成了能量、空化、压力脉动等特性的试验；基于采用不可压缩流体的连续方程和雷诺平均的N-S方程模拟XZ型混流式水轮机内的三维流动，选择SST k-模型为湍流模型，以活动导叶开度为设计开度、不同单位转速的四个算例为研究对象，研究蜗壳及固定导叶域、活动导叶域、转轮域、尾水管四个计算域内的流动随单位转速的变化情况，对模型机组的流动特性和水力性能进行了深入研究分析；考虑气核含量敏感性的4000米高空扭曲水翼空化预测方面的研究，采用扭曲水翼来了解不同海拔高度下泵叶轮叶片和涡轮转轮叶片上的空化特性，详细分析了扭曲水翼上的湍流流动和空化发展。通过以上研究，本项目系统分析得到了水轮机模型性能试验结果、试验综合特性曲线与压力脉动试验曲线，揭示了高原环境对水轮机水力特性的影响，揭示了水轮机水力效率、空化的一般规律。基于上述研究构建预测水轮机吸出高度的数学模型和不同气核含量的数学模型，可为水电站的安全稳定运行及水电站设计提供理论支撑。上述研究对于指导高原水电站安装高程规范的确立、避免空化空蚀造成的结构破坏和确保电站高效安全运行具有重大的理论意义和实际价值。