水轮机转轮密封间隙与顶盖腔体内强剪切流动的机理研究

转轮间隙与顶盖腔体内的非定常流动是诱发机组振动的重要因素之一，同时也是保证机组稳定运行亟待研究的关键问题。本项目以混流式水轮机转轮动静部件水封间隙与顶盖腔体内的强剪切流动为研究对象，用浸入边界法考虑旋转部件由于机械运动产生的摆动/振动对间隙流动的干扰，按强切变三维Couette流建立转轮动静部件水封间隙和顶盖压力腔中的流动模型。将水轮机全流道（从蜗壳进口到尾水管出口）数值模拟的结果作为间隙流动模型的边值条件,用浸入边界有限体积法（IFVM）模拟间隙流。在实验验证的基础上，研究水轮机组在双列叶栅动态绕流下间隙流动特性随机组运行过程的变化规律。分析不同间隙大小和不同运行工况下机组动态运行过程对间隙流动物理力学特性影响的敏感度，寻找影响间隙密封流动的关键因素，揭示间隙渗漏涡等流动结构生成、发展以及流动结构之间相互作用的机理，提出改善因间隙流引起机组不稳定性的措施和方法。

转轮间隙与顶盖腔体内的非定常流动是诱发机组振动的重要因素之一。本项目以混流式水轮机转轮动静部件水封间隙与顶盖腔体内的强剪切流动为研究对象，按强切变三维Couette流建立转轮动静部件水封间隙和顶盖压力腔中的流动模型。在实验验证的基础上，研究水轮机组在双列叶栅动态绕流下间隙流动特性随机组运行过程的变化规律。分析不同间隙大小和不同运行工况下机组动态运行过程对间隙流动物理力学特性影响的敏感度，寻找影响间隙密封流动的关键因素，揭示间隙渗漏涡等流动结构生成、发展以及流动结构之间相互作用的机理，提出改善因间隙流引起机组不稳定性的措施和方法。    . 通过该项目资助，研究工作取得了明显的进展，共发表与该项目密切相关的学术论文16篇，其中SCI收录2篇，EI收录11篇，申请国内发明专利1项（申请号：201310117206.8），获云南省科学技术奖励自然科学二等奖1项（本项目负者人排名第2）。本课题的研究内容和重要成果主要集中在如下几个方面：.（1）将一种新型的大涡模拟亚格子应力模型（即Vreman亚格子应力模型）用于密封间隙和混流式水轮机全流道内复杂流动的求解。通过对主流和间隙流动特性的分析，提高对跨尺度流道内复杂湍流流态的认识，有利于避免因流动诱发的机组不稳定振动；.（2）建立了任意拉格朗日欧拉描述下基于大涡模拟流体求解器的同步迭代强耦合算法。同时，提出一种基于压力泊松方程的紧耦合算法。通过数值算例，证实数值方法的可靠性；.（3）研究了基于固定网格技术的浸入边界法数学描述及数值求解方法，流场求解不再使用动网格技术，从而避免了网格畸形以及离散网格几何不守恒等问题，能够有效地处理大变形柔性结构以及刚体大幅运动与流体的相互作用问题；.（4）研究滑移界面位置对叶轮机械内部流体旋转流场的影响，结果表明，滑移界面位置应取在转子和静止部件之间间距的1/8至1/4处(靠近转子)；.（5）在有压水平槽道中进行了密封渗漏试验测试，总共设计2块梳齿密封板和6块蜂窝密封板，针对每块密封板，密封的间隙宽度可调，密封进口段试验压力可调，主要测试不同进口压力下，不同密封间隙宽度下通过各密封板的渗漏流量。. 总之，本项目的研究达到了预期目标，研究工作取得了显著成效，在复杂湍流的数值模拟方法和流固耦合数值算法以及流体与结构相互作用机理等方面做出了一定的贡献。