混流式水轮机飞逸过程瞬态流动与能量耗散研究

作     者：李颜雁 孙龙刚 郭鹏程 范文睿 徐卓飞 LI Yanyan;SUN Longgang;GUO Pengcheng;FAN Wenrui;XU Zhuofei

作者机构：西安理工大学水利水电学院陕西西安710048 西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点试验室陕西西安710048 

出 版 物：《水利学报》 (Journal of Hydraulic Engineering)

年 卷 期：2023年第54卷第7期

页      面：794-805页

核心收录：

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0815[工学-水利工程] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(51839010,52109109) 中国博士后科学基金项目(2021M702641) 陕西省教育厅青年创新团队科研计划项目(22JP057) 陕西高校青年创新团队(2020-29) 

主　　题：混流式水轮机 飞逸 瞬态流动 涡漩 能量耗散 

摘      要：水轮机经历飞逸过程时,其内部将出现流动分离、涡漩及高振幅压力脉动等瞬态水力特性。为明确其在飞逸过程的不稳定流动特性,本文以某典型水头段混流式模型水轮机为研究对象,对其由额定转速过渡至飞逸转速的瞬态流动过程开展研究,数值计算获得的飞逸单位转速及流量与试验测试结果吻合较好。结果表明:飞逸过程中,转轮进口处水流在大冲角作用下形成较强的流动分离,诱发转轮叶片通道产生大尺度的涡漩结构,且随转速升高,涡漩体积逐渐增大,对主流形成强烈扰动。过流部件内均捕捉到低频、宽频特征的高振幅压力脉动,频率范围在0.5倍叶频以下,且对应的转轮域压力幅值最高。进一步,本文基于能量平衡方程分析水轮机能量耗散特性,发现各过流部件能量耗散主要发生在转速上升的初始阶段,且转轮和尾水管内的能量耗散之和超过耗散总量的90%。此外,湍动能生成项和雷诺应力做功项远大于黏性耗散项和黏性力做功项,表明不稳定飞逸过程中的能量输运和耗散主要由湍流主导。转轮内的主要能量耗散位置与涡漩结构位置对应,表明转轮内流动分离诱导的复杂涡漩结构是引起能量耗散的根源,为进一步揭示水轮机飞逸过程的能量耗散机制研究指明了方向。