基于空化计算的高水头水泵水轮机驼峰特性机理研究

Nowadays high head pump turbine becomes more popular over the world. Increases in water head cause more severe fluctuations in input power and vibrations in water conveyance systems when the unit is operating in the 'hump zone'. This project will focus on the study of the unsteady flows in high head pump turbine in 'hump zone', by combining experimental, numerical and theoretical studies, and to provide theoretical basis for optimizing the design. Key points of the project are: a. Develop cavitation model based on theory of evaporation/condensation,considering the effect of curvature of the interface. b. Develop V2F nonlinear partial average N-S (PANS) model. c. Based on the PANS model developed in b, by comparing the full cavitation model and cavitation model developed in a, choose appropriate appropriate numerical simulation methods for high head pump turbine. d. Carry out the model experiments,in order to monitor the flow field of high head pump turbine. e. Carry out the flow diagnosis of the unsteady flow, based on vortices dynamics method and the expansion of turbulent kinetic energy transport equation. Provide principles for optimization of hump performance.

水泵水轮机的发展趋势是水头越来越高。机组高水头化后，水头运行范围更宽，稳定性问题更严重，而驼峰特性是影响机组稳定性重要因素之一。空化现象对驼峰特性有显著影响，但影响规律及其流动机理尚不明确。本研究拟采用数值计算、实验研究和理论分析结合的手段，深入讨论高水头水泵水轮机在驼峰区的空化非定常流动，为机组的优化设计提供理论基础。研究内容包括：a.发展曲面效应修正的基于蒸发/凝结相变理论的空化模型；b.发展基于V2-F非线性湍流模型的部分时均化（V2F-PANS）的湍流计算方法；c.选择合适的空化模型、湍流计算方法，构造空化计算的混合流体模型，实现对高水头水泵水轮机驼峰区空化流动的数值计算；d.进行高水头水泵水轮机模型驼峰区性能试验，并对相应的空化流场进行观测；e.结合涡动力学分析方法及湍动能输运方程展开形式，对机组内部空化非定常流动进行诊断，为机组性能优化提供参考。

高水头水泵水轮机的应用日趋广泛，其稳定运行极其重要。驼峰特性是水泵水轮机的一种典型的不稳定现象，会影响机组的泵工况启动稳定性。本研究采用模型试验、数值模拟和理论分析相结合的手段，对水泵水轮机的驼峰特性及其影响因素进行了研究。. 通过水泵水轮机机组试验和计算分析可以发现，当驼峰发生时，主要观测到的现象为导叶区域出现的旋转流动分离，其特征为较低的旋转频率，该频率与导叶开度的正弦值成正比关系，在大开度下，此频率约为0.32倍的转频。空化对驼峰特性的影响随着导叶开度的变化而变化，空化对外特性的影响主要取决于空化发生的区域和形态。.为了更真实准确的反映上述空化的形态及区域，研究中考虑了空泡汽液界面相变时的热效应影响，搭建了小型机理试验台，完成了文透里典型空化特性实验及单空化泡动力学行为实验，为数值计算中的湍流模型和空化模型的修正奠定了基础。. 研究中还通过对配置了不同活动导叶翼型的水泵水轮机开展了实验和计算研究，发现了活动导叶翼型对驼峰特性产生了显著的影响，其变化影响了引起低频压力脉动信号的旋转流动分离的发生。为了深入探讨流动分离机理及有效控制流动分离，研究中通过改变翼型前缘结构，结合了风洞实验、理论分析和数值模拟等研究手段，对带有单个和多个前缘凸起的改型翼型的性能和绕流流场开展了系统研究，进而对前缘凸起结构的流动控制机理进行了深入探讨。. 在上述研究的基础上，本研究发展了基于能量方程的非定常能量损失分析方法，首次考虑了平均运动动能随时间的变化使其适应高度非定常流畅。基于该方法推导得到驼峰特性的发生判据。. 综上所述，本项目对水泵水轮机的驼峰特性产生和发展过程中的稳定性进行了研究，并分析其影响因素，为运行过程中减小驼峰对机组的影响提供了参考依据。