水泵水轮机尾水管空化涡不稳定性机理及控制策略研究

With the rapid development of pumped-storage, pump-turbines as the key part, require wider operating range and higher flexibility. Consequently, the instability problems become the most limiting factor. In this project, experimental study, numerical simulation, and theoretical analysis are adopted to conduct to systematic and in-depth investigation on the mechanism and control strategy of cavitation vortex instability in the draft tube of pump-turbines. The details are as follows: (1) Using the technique of time passivation, the evolution law of cavitation vortex is studied. Combining with pressure fluctuation experiments, the internal relationship between cavitation vortex and pressure fluctuation is investigated. (2) Considering the interaction of cavitation and turbulence, the high precision prediction of cavitation vortex is performed through large eddy simulation with the improved cavitation model and subgrid scale stress model. (3) Referring to the Batchelor vortex analysis method, the theoretical analysis model of cavitation vortex instability is established to clarify the mechanism of cavitation vortex instability. (4) According to the idea of improving local pressure, the control of cavitation vortex is achieved by changing the shape of runner cone, perforating and slotting on the cone. The strategy of draft tube cavitation vortex control is put forward through the above studies. The present study is of great significance to the development on the flow theory of hydraulic machinery, and ensuing the safe and stable operations of high head and large capacity pump-turbines.

随着抽水蓄能机组的快速发展，水泵水轮机作为蓄能机组核心部件，需要具有更宽的运行范围和更好的灵活性，其中水力不稳定性是最主要的制约因素。本项目通过实验研究，借助数值模拟，着重理论分析，对水泵水轮机尾水管空化涡不稳定性机理及控制策略开展深入的研究。主要研究内容为：（1）运用时间钝化技术研究空化涡演变规律，结合实验探究空化涡与压力脉动的内在关联；（2）考虑空化与湍流相互作用，采用修正后的空泡动力学模型和亚格子尺度应力模型实现空化涡的高精度大涡模拟；（3）借鉴Batchelor涡分析理论，建立尾水管空化涡两相流动不稳定性理论分析模型，实现不同类型空化涡不稳定特性诊断；（4）依据靶向精确优化尾水管局部压力的思想，通过尾水管泄水锥改型、打孔和开槽等方式实现空化涡有效控制，提出尾水管空化涡控制策略。该研究对促进水力机械流动理论的发展和保证高水头大容量水泵水轮机安全稳定运行具有重要意义。

在双碳目标国家重大战略背景下，抽水蓄能机组作为以新能源为主体的新型电力系统的超级充电宝，需要具有更高的灵活性，更高的可靠性和更宽的运行范围，进而导致水力不稳定性问题更加突出，成为了制约抽水蓄能机组发展的关键问题，其中尾水管中形成的空化涡带是引起机组产生水力不稳定性的主要原因之一。因此，本项目依托水力发电设备国家重点实验室，通过实验研究，借助数值模拟，着重理论分析，对抽水蓄能机组核心部件水泵水轮机尾水管空化涡不稳定性机理及控制策略开展了深入的研究。主要研究内容为：（1）运用时间钝化技术，采用高速摄像技术，获得了混流式水轮机空化涡时空演变规律，结合压力脉动实验揭示了空化涡形态与压力脉动的内在关联；（2）采用大涡模拟等高精度数值模拟方法，阐明了尾水管空化涡带的产生和发展机理，揭示了活动导叶开口、运行工况、空化系数和旋拧数对空化涡带形态、内流场、稳定性和熵产损失的影响规律；（3）借鉴Batchelor涡分析理论，实现了尾水管空化涡两相流动不稳定性分析，揭示了不同运行参数下尾水管空化涡稳定特性；（4）依据靶向精确优化尾水管局部压力的思想，通过尾水管泄水锥改型、打孔和开槽等方式实现空化涡有效控制，最高可降低由尾水管空化涡带引起的低频压力脉动幅值74.08%。该研究对促进水力机械流动理论的发展和保证高水头大容量水泵水轮机安全稳定运行具有重要意义。本项目发表相关SCI论文7篇，会议论文2篇，其中3篇发表在能源领域顶级期刊RSER和RE上，1篇发表在流体力学顶级期刊POF上，2篇发表流体工程领域顶级期刊ASME JFE上，1篇论文获亚洲流体机械国际会议Best Paper；待出版专著1部，申请发明专利1项，国内外会议报告3次，培养博士研究生1名，硕士研究生3名，本科生4名，研究成果作为主要创新点获2020年省自然科学一等奖、2020年中国产学研促进学会二等奖，项目负责人获2021年中国动力工程学会青年科技奖和2020年黑龙江省博士后青年英才计划。