基于TBR模型的高水头混流式水轮机水力性能预测

作     者：孙龙刚 郭鹏程 麻全 郑小波 罗兴锜 Sun Longgang;Guo Pengcheng;Ma Quan;Zheng Xiaobo;Luo Xingqi

作者机构：西安理工大学水利水电学院西安710048 

出 版 物：《农业工程学报》 (Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering)

年 卷 期：2019年第35卷第7期

页      面：62-69页

核心收录：

学科分类：0710[理学-生物学] 080703[工学-动力机械及工程] 080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

基　　金：国家自然科学基金(51839010) 陕西省重点研发计划(2017ZDXM-GY-081) 陕西省教育厅服务地方专项计划(17JF019) 

主　　题：模型 计算机仿真 水轮机 性能预测 瞬态特性 计算资源 

摘      要：叶轮机械的瞬态计算对于捕捉转子与定子之间的周期性扰动是十分必要的。为了避免共振,转子与定子数目一般是互质的,使得周期性边界条件失效,瞬态模拟必须对全通道进行计算,以保证转子与定子之间的螺距比为1,从而确保上下游信息的准确传递,因此计算资源消耗较多。该文基于k-ωSST湍流模型,分别采用传统全通道计算方法、TBR(transient blade row)模型中的单通道PT(profile transform)方法以及双通道FT(fourier transform)方法,对Francis99混流式模型水轮机进行了性能及负荷预估,并与试验值作对比。PT方法通过在交界面上按照角度比进行变量的比例缩放而保持上下游通量的守恒,FT方法采用傅里叶级数的相变周期性边界条件来解释转子与定子之间螺距比不为1的问题,对周向边界和转静边界进行求解历史的重构。数值计算采用变量边界条件(profile boundary conditions-PC)进口给定质量流量及速度方向矢量,出口给定静压。与试验值作对比,全通道计算法、PT方法以及FT方法均能较准确地预测水轮机效率、不同测点平均压力,而且3种数值方法获得的流道内压力及叶片负荷分布差别不大。FT方法计算的叶片合力及扭矩随时间变化与全通道比较一致,仅仅在变量脉动上小于全通道,而PT方法在脉动及频率上均存在较大偏差。压力脉动频谱特性方面,FT方法与全通道主频及幅值接近,且与试验结果比较吻合,而PT方法由于交界面上变量的缩放,静止域与旋转域内均捕捉到叶片通过频率,且幅值低于全通道及试验值。此外,相同计算条件下,全通道计算、PT方法以及FT方法计算所需时间比为1:0.375:0.23。综合评估分析,FT计算结果与全通道以及试验结果一致且消耗更少的计算资源,在水轮机的瞬态计算有一定的潜力和优势。