12A 窄高型尾水管穩(wěn)定性分析

張 慧

1 概述

尾水管內(nèi)渦帶引起的較大低頻壓力脈動(dòng)，使機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)及出力的波動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至使機(jī)組被迫停機(jī)，給水電站造成巨大損失。尾水管的幾何尺寸對(duì)尾水管內(nèi)的流動(dòng)有直接影響，從而也會(huì)對(duì)低頻壓力脈動(dòng)產(chǎn)生影響。其中，尾水管直錐段高度是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)。

為了將此參數(shù)對(duì)水輪機(jī)總體性能的影響做一個(gè)充分的分析，分別比較了6種尾水管高度在某工況下時(shí)的壓力特征。

2 尾水管幾何參數(shù)

1)12A窄高型尾水管的肘管見圖1，圖2。

圖1 12A肘管

圖2 12A窄高型尾水管主要參數(shù)示意圖

2)12A尾水管參數(shù)推薦值見表1。

表1 12A窄高型尾水管主要參數(shù)最佳選擇范圍推薦表

3 計(jì)算分析方法和結(jié)果分析

1)本文所采用的尾水管尺寸見表2。

表2 尾水管尺寸

2)計(jì)算分析方法和計(jì)算工況。

研究尾水管水力穩(wěn)定性主要從兩個(gè)途徑進(jìn)行，一方面進(jìn)行尾水管內(nèi)的穩(wěn)定流動(dòng)理論計(jì)算，另一方面進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。本文從理論計(jì)算入手對(duì)此問題進(jìn)行分析。

a.網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的密集程度和分布以及類型等對(duì)于計(jì)算結(jié)果影響是很大的。如果只考慮系統(tǒng)的宏觀指標(biāo)，如水力效率，流量等，是可以允許較粗的網(wǎng)格的。但是當(dāng)研究復(fù)雜的內(nèi)部流動(dòng)，尤其是高雷諾數(shù)下的湍流時(shí)，過粗的網(wǎng)格會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)細(xì)節(jié)的丟失。本文利用四面體在定義復(fù)雜外形時(shí)的靈活性，全面采用四面體來填充三維空間，它消除了結(jié)構(gòu)網(wǎng)格中節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)性限制，節(jié)點(diǎn)和單元的分布可控性好，因而能較好的處理邊界，使用于模擬真實(shí)復(fù)雜外形。具體的模型網(wǎng)格數(shù)量見表3。

表3 模型網(wǎng)格數(shù)量

具體網(wǎng)格分布示意圖見圖3。

圖3 網(wǎng)格分布圖

b.方程離散和差分格式。本文采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散求解，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式。壓力和速度采用SIMPLEC方法進(jìn)行耦合求解。

c.定常計(jì)算和湍流模型。在計(jì)算過程中，為了減少計(jì)算時(shí)間，簡化計(jì)算工作，假定尾水管進(jìn)口來流均勻。采用標(biāo)準(zhǔn)k—ε湍流模型，假設(shè)計(jì)算工況點(diǎn)見表4。

表4 假設(shè)計(jì)算工況點(diǎn)

3)計(jì)算結(jié)果及分析。

尾水管壓力記錄面:本文選取兩個(gè)截面進(jìn)行分析，其位置如圖4所示。

圖4 尾水管內(nèi)部壓力記錄面示意圖

壓力記錄面分析:通過對(duì)這6種不同尺寸的12A窄高型尾水管的水力計(jì)算，我們得到它們?cè)谕还r下有相似的壓力分布情況，以尾水管C為例來說明。

尾水管C兩個(gè)截面的壓力分布見圖5。

圖5 尾水管C兩個(gè)截面的壓力分布

將壓力做成坐標(biāo)點(diǎn)圖可觀察到各個(gè)點(diǎn)的壓力值，見圖6。

圖6 各點(diǎn)壓力坐標(biāo)點(diǎn)圖

查出壓力最大最小值，并做極差，分析數(shù)據(jù)見表5。

表5 極差分析數(shù)據(jù)

結(jié)果分析:1)由尾水管C兩個(gè)截面的壓力分布圖，我們可以看出，穩(wěn)態(tài)水流通過12A窄高型尾水管后最大壓力分布在肘管底部。2)由壓力坐標(biāo)點(diǎn)圖，我們可以看到，壓力最大最小值出現(xiàn)的位置相同，極差最大的為尾水管B，極差最小的為尾水管A，綜合考慮尾水管C極差最合適，但其他尾水管的極差也在允許范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

12A窄高型尾水管，不改變肘段尺寸，只改變直錐段尺寸形成的6種尾水管，基于CFD技術(shù)在同一工況下分別進(jìn)行水力計(jì)算，得出大致相同的壓力分布及速度分布等，充分說明了12A窄高型尾水管性能的穩(wěn)定性。

［1］ 劉大愷.水輪機(jī)［M］.北京:中國水利水電出版社，1997.

［2］ 石祥鐘，尚 濤，肖英奎.窄高型尾水管的設(shè)計(jì)參數(shù)估算方法研究［J］.水電能源科學(xué)，2004(6):93-95.

［3］ 魏先導(dǎo).混流式水輪機(jī)窄高型尾水管的應(yīng)用研究［J］.武漢水利電力大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，26(1):1-8.

［4］ 于 波.窄高型尾水管流場數(shù)值模擬及分析［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，1999(6):98-99.

［5］ 王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:120-122.

［6］ 吳玉林，劉樹紅，錢忠東.水利機(jī)械計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)［M］.北京:中國水利水電出版社，2007.

［7］ 蘇銘德，黃素逸.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1997.

［8］ 趙興艷，蘇莫明，張楚華.CFD方法在流體機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.流體機(jī)械，2000(3):22-25.

［9］ Launder D E，Spalding D B.Lectures in Mathematical Models of Turbulence［M］.London:Academic press，1972.

［10］ 郭茂雄，田繼在，吳長勝.窄高型尾水管直錐管的有利高度研究［J］.武漢水利水電大學(xué)學(xué)報(bào)，1997(5):39-43.

［11］ Gubin M F.Draft Tubes of Hydraulic Stations［M］.New Delhi:Amerind Publishing Co.Pvt.Ltd，1973.