衝擊式水輪機流動干涉特性及其對比尺效應影響研究

《衝擊式水輪機流動干涉特性及其對比尺效應影響研究》是依託清華大學，由肖業祥擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：衝擊式水輪機流動干涉特性及其對比尺效應影響研究
• 依託單位：清華大學
• 項目負責人：肖業祥
• 項目類別：面上項目

項目摘要

衝擊式水輪機在高水頭資源豐富的地區套用前景廣泛，其流動干涉現象十分複雜，至今仍缺乏對其規律和比尺效應的科學描述與深入研究，仍是水力機械學科研究的熱點和難點。本申請以高水頭衝擊式水輪機為研究對象，將理論分析、數值計算與試驗相結合，旨在揭示機組內典型的三維非定常氣液兩相流及流動干涉的水動力學特性。探討適合自由射流、水膜流等多流態的數學模型和數值方法，結合已有試驗結果進行評價。探討機組內典型流動干涉發生時的流動規律，如射流與水斗背面干涉，出流與水斗背面干涉，多噴嘴時水膜流干涉等，定量分析流動干涉對機組水動力特性的影響，進而提出改善流動干涉的方法。在易發流動干涉工況區，結合模型試驗和現場實測，分別對模型與真機進行流動干涉特性的數值計算，定量分析流動干涉與比尺效應之間的關係，完善衝擊式水輪機的比尺效應換算理論。研究可為衝擊式水輪機的性能換算、最佳化設計與安全穩定運行提供理論基礎。

結題摘要

我國水電開發主戰場已轉向西南高原河流，僅雅江大拐彎一處的可開發水能裝機容量就占全國的10%，目前正依託其梯級開發，研製50萬千瓦級、1000米以上超高水頭大型衝擊式水輪發電機組，而衝擊式水輪機內部多態、多相流動特性、流動干涉、比尺效應等的準確研究仍不夠深入。本項目開展的流動干涉特性及其對比尺效應影響研究具有重要理論意義和工程套用價值。發表論文33篇，其中SCI檢索13篇，另EI檢索論文16篇。 選取兩套衝擊式水輪機，基於均質多相流模型、SST k-omega雙方程模型描述多相流場，深入探討了CFL條件和格線收斂因子等對射流/水膜計算精度的影響，指出了精確模擬整體流道多種流態轉換過程所需滿足的離散關係，發展了包含管內流、噴嘴射流及水斗水膜流多種流態和流態轉換的整體流道非定常多相流數值模擬方法，結合試驗數據驗證了計算的準確，研究成果在ISROMAC 2016國際會議分會場做了特邀報告。 基於該方法，系統分析了衝擊式水輪機中的幾種典型流動干涉及其對水力性能定量影響規律。水斗切割射流對射流的破壞導致水斗背面與射流接觸位置會出現負壓，該負壓與背面擠壓聯合作用，引起水斗背面與射流間的干涉。在計算的低水頭工況，流動干涉使轉輪的水力效率降低約4%。此類干涉隨運行水頭的降低而加劇，適當減薄水斗缺口厚度可改善。對出流與水斗背面干涉，計算了水斗出流角和水頭變化的影響。水斗在出水邊出流角過大和高水頭工況，更容易發生出流與水斗背面干涉。為避免對水斗背面的破壞，可適當減小水斗出流角或減薄水斗出水邊的厚度。若將噴嘴數增至六，運行工況參數都不變，數值分析了水斗內兩股水膜流動干涉現象產生機理及其對水力性能的影響。結果顯示，噴嘴數增加使相鄰射流進入同一水斗的時間間隔縮短，水斗先後接受的兩股射流會在水斗表面碰撞，使此工況下機組水力效率降低10.91%，同時水斗內表面壓力波動的幅值加劇，也會對水斗的安全性能造成極大威脅。 結合模型試驗數據，對模型與真機的非定常流動特性進行了數值計算，比較了三組單位流量工況下，真機與模型機中流動干涉是否發生；根據IEC標準和模型試驗結果，對比計算的原型、模型機水力效率，量化的分析了衝擊式水輪機中影響比尺效應的主要因素，發現雷諾數的影響相對較大，而弗勞德數和韋伯數的影響也不可忽略。