水轮机转轮叶片表面、沙粒和空化相互作用机理研究

Most rivers in China have high sediment concentrations. The blade surfaces of hydraulic turbines running in these rivers suffer from the combined effects of cavitation erosion and sediment abrasion, which deteriorates the performance of a turbine, shortens its service life, and reduces the economic benefits of a power station. The cavitation process and the movement of sand on the blade surface near the turbine runner, as well as the interactions among the surface, cavitation and sand will be studied based on the multiphase flow theory and with the help of testing methods and numerical methods. High-speed camera, laser Doppler velocimetry, particle dynamic analyzer, and other instruments will be used to observe the emergence, development and collapse of cavitation on the surface near the runner blade, as well as the movement of sand, including the interaction between cavitation and sand (especially the collapse of air bubbles on the movement of sand ), and the effect of cavitation and sand on the blade surface. A numerical model for the multiphase flow in a hydraulic turbine running in silt-laden water will be established. The flow field of cavitated silt-laden water, including the effect and intensity of cavitation and sand on the surface of blade will be numerically calculated. The experimental and numerical results will be theoretically analyzed. The mechanism of interaction among turbine blade surface, sand and cavitation in silt-laden water will be obtained, which will provide theoretic basis for the research on abrasion resistance of hydraulic turbine in silt-laden water and its optimal design.

我国绝大多数河流都有较高的泥沙含量，其上运行的水轮机叶片表面常常会遭受空蚀和泥沙磨损联合作用破坏，导致水轮机性能恶化，使用寿命降低，电站经济效益下降。本项目基于多相流动理论,借助实验测试手段和数值方法，研究水轮机转轮临近叶片表面区域的空化过程、沙粒运动过程以及空化、沙粒和叶片表面的相互作用过程。主要通过高速摄影机和激光多普勒测速及粒子动态分析仪系统等仪器观测水轮机转轮叶片临近表面区域空化的初生、发展、溃灭的过程以及沙粒的运动过程，包括空化与沙粒的相互作用过程（尤其是空泡溃灭对沙粒运动的作用过程），空化与沙粒对叶片表面的作用过程；同时建立含沙水中水轮机内部多相流动的数值模型，对空化沙水流场包括空化和沙粒对叶片表面的作用及强度进行数值计算。根据实验和数值结果进行理论分析，形成含沙水中水轮机叶片表面、沙粒和空化相互作用的机理，为含沙水中的水轮机耐磨蚀研究及其优化设计提供理论依据。

本研究采集了长江等几大河流泥沙样本；基于流体动力学及多相流理论,详细分析了颗粒（空泡）在流场中的受力，颗粒（空泡）运动的阻力规律，建立了颗粒（空泡）的质心运动方程、空泡径向运动方程，多相流动的Eulerian数学模型，获得了颗粒运动方程的解析通解；利用高速摄影机、PIV测试仪以及数值技术，测试了颗粒与固壁的作用过程，建立了颗粒与固壁作用的碰撞模型；利用PIV测试仪和CFD技术对水轮机转轮流场中的多相流动进行了数值模拟及实验测试；利用CFD技术对颗粒在边界层中的运动特性进行了数值模拟；利用高速摄影机、PIV测试仪，研究了水轮机转轮临近叶片表面区域的空化过程、沙粒运动过程以及空化、沙粒和叶片表面的相互作用过程。. 研究结果表明：①砂粒和空泡进入转轮叶道，多向叶片固壁靠近，随着砂粒尺寸的减小，靠叶片固壁越近，但随着空泡尺寸的减小，则靠叶片固壁越远；随着水流速度的增加，砂粒和空泡越靠近叶片固壁运动，并撞击叶片固壁越多；随着含砂浓度的增大，空泡越远离叶片边壁运动。②空泡在清水中运动时，空泡收缩的体积形状多是圆盘或圆环状, 并随着水流速度的增大，空泡的圆盘或圆环状越小，当水流挟带砂粒后，空泡收缩的体积形状多是球形状，并随着含砂浓度的增大，球形状越接近球形，同时空泡收缩的球形体积越小。③空泡在叶片固壁附近溃灭时, 越远离固壁的空泡收缩速度越快, 靠近边壁的空泡收缩速度较慢，水流挟带砂粒后, 增加了空泡溃灭速度, 缩短了空泡溃灭历时, 砂粒浓度越大, 空泡溃灭速度越快, 溃灭历时越短。④水流为负冲角时，在叶片工作面1/2-2/3处产生空泡云，同时在背面尾部也产生空泡云，负冲角越大时，空泡云团越大，并沿工作面扩散，且空泡不易溃灭，当水流挟带砂粒后, 在叶片工作面砂粒有所积聚，同时越小颗粒砂粒越也有所积聚；水流为正冲角时，在叶片背面的1/2-2/3处，空泡云有所产生，但脚小，空泡溃灭的速度较快，越大颗粒砂粒越有所积聚，正冲角越大时，空泡云团越向翼形头部靠近。