《基於空化計算的高水頭水泵水輪機駝峰特性機理研究》是依託清華大學，由劉樹紅擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於空化計算的高水頭水泵水輪機駝峰特性機理研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：劉樹紅
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
水泵水輪機的發展趨勢是水頭越來越高。機組高水頭化後，水頭運行範圍更寬，穩定性問題更嚴重，而駝峰特性是影響機組穩定性重要因素之一。空化現象對駝峰特性有顯著影響，但影響規律及其流動機理尚不明確。本研究擬採用數值計算、實驗研究和理論分析結合的手段，深入討論高水頭水泵水輪機在駝峰區的空化非定常流動，為機組的最佳化設計提供理論基礎。研究內容包括：a.發展曲面效應修正的基於蒸發/凝結相變理論的空化模型；b.發展基於V2-F非線性湍流模型的部分時均化（V2F-PANS）的湍流計算方法；c.選擇合適的空化模型、湍流計算方法，構造空化計算的混合流體模型，實現對高水頭水泵水輪機駝峰區空化流動的數值計算；d.進行高水頭水泵水輪機模型駝峰區性能試驗，並對相應的空化流場進行觀測；e.結合渦動力學分析方法及湍動能輸運方程展開形式，對機組內部空化非定常流動進行診斷，為機組性能最佳化提供參考。
結題摘要
高水頭水泵水輪機的套用日趨廣泛，其穩定運行極其重要。駝峰特性是水泵水輪機的一種典型的不穩定現象，會影響機組的泵工況啟動穩定性。本研究採用模型試驗、數值模擬和理論分析相結合的手段，對水泵水輪機的駝峰特性及其影響因素進行了研究。 通過水泵水輪機機組試驗和計算分析可以發現，當駝峰發生時，主要觀測到的現象為導葉區域出現的旋轉流動分離，其特徵為較低的旋轉頻率，該頻率與導葉開度的正弦值成正比關係，在大開度下，此頻率約為0.32倍的轉頻。空化對駝峰特性的影響隨著導葉開度的變化而變化，空化對外特性的影響主要取決於空化發生的區域和形態。 為了更真實準確的反映上述空化的形態及區域，研究中考慮了空泡汽液界面相變時的熱效應影響，搭建了小型機理試驗台，完成了文透里典型空化特性實驗及單空化泡動力學行為實驗，為數值計算中的湍流模型和空化模型的修正奠定了基礎。 研究中還通過對配置了不同活動導葉翼型的水泵水輪機開展了實驗和計算研究，發現了活動導葉翼型對駝峰特性產生了顯著的影響，其變化影響了引起低頻壓力脈動信號的旋轉流動分離的發生。為了深入探討流動分離機理及有效控制流動分離，研究中通過改變翼型前緣結構，結合了風洞實驗、理論分析和數值模擬等研究手段，對帶有單個和多個前緣凸起的改型翼型的性能和繞流流場開展了系統研究，進而對前緣凸起結構的流動控制機理進行了深入探討。 在上述研究的基礎上，本研究發展了基於能量方程的非定常能量損失分析方法，首次考慮了平均運動動能隨時間的變化使其適應高度非定常流暢。基於該方法推導得到駝峰特性的發生判據。 綜上所述，本項目對水泵水輪機的駝峰特性產生和發展過程中的穩定性進行了研究，並分析其影響因素，為運行過程中減小駝峰對機組的影響提供了參考依據。
