水泵水輪機(jī)增減負(fù)荷過(guò)程三維流動(dòng)特性大渦模擬分析

胡秀成，張立翔

（昆明理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500）

1 研究背景

水泵水輪機(jī)內(nèi)部是一種復(fù)雜的湍流流動(dòng)，具有普遍性和特殊性，而“S”形逆變流、動(dòng)靜干涉流、工況變遷流和葉道旋轉(zhuǎn)切變流等是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。李君等［1］采用全流道CFD數(shù)值模擬的方法對(duì)“S”形區(qū)域流場(chǎng)特性進(jìn)行了分析。游光華等［2］采用導(dǎo)葉不同步預(yù)開(kāi)裝置（MGV裝置）來(lái)改善“S”形流動(dòng)特性，增強(qiáng)了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。但改善不穩(wěn)定的MGV裝置也存在一些弊端，例如，Liu等［3］發(fā)現(xiàn)采用MGV裝置時(shí)壓力脈動(dòng)幅值是采用同步導(dǎo)葉時(shí)壓力脈動(dòng)幅值的2倍，流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象也顯著增加；Xiao等［4］發(fā)現(xiàn)MGV破壞了流場(chǎng)的對(duì)稱性，流動(dòng)更加復(fù)雜，在一定程度上增大了壓力脈動(dòng)幅值。陶然等［5］和王煥茂等［6］分析了泵工況的駝峰特性。Hasmatuchi等［7］在導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪之間注入氣泡采用特殊的圖像疊加技術(shù)觀察到制動(dòng)工況導(dǎo)葉流道內(nèi)的失速形態(tài)，測(cè)得失速轉(zhuǎn)速約為額定轉(zhuǎn)速的70%。夏林生等［8］選用SST-SAS湍流模型采用三維非恒定數(shù)值模擬方法對(duì)某低比轉(zhuǎn)速水泵水輪機(jī)同一開(kāi)度下四象限內(nèi)不同工況進(jìn)行了數(shù)值分析。

一般情況下，電力系統(tǒng)調(diào)度有靜止、發(fā)電、發(fā)電方向調(diào)相、抽水和抽水方向調(diào)相等5種基本運(yùn)行模式，而每種模式間的工況變換排列組合多達(dá)20余種，工況常一日變換數(shù)次，甚至一小時(shí)變換數(shù)次。在工況變換的增減負(fù)荷過(guò)程中，由于流態(tài)的巨變可能會(huì)誘發(fā)抽水蓄能系統(tǒng)發(fā)生劇烈的耦合振動(dòng)，因此相關(guān)的分析研究對(duì)于抽水蓄能系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。在當(dāng)前的技術(shù)條件下，對(duì)于諸如水力機(jī)械這類流道幾何空間復(fù)雜且具有高雷諾數(shù)的湍流數(shù)值模擬問(wèn)題，大渦模擬（large-ed?dy simulation，LES）無(wú)疑是最具有潛力和可實(shí)現(xiàn)的湍流數(shù)值模擬方法。本文采用商業(yè)軟件ANSYS FLUENT17.1，選用LES湍流模型［9-13］對(duì)某水泵水輪機(jī)由額定水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)為額定水泵工況過(guò)渡過(guò)程軌跡線上的10個(gè)工況點(diǎn)對(duì)應(yīng)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行三維非定常數(shù)值模擬，對(duì)小流量工況的流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化特性進(jìn)行分析，探索工況變遷與不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化特性間的關(guān)系。

2 計(jì)算方法

2.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格設(shè)計(jì) 本文以某水泵水輪機(jī)為模擬對(duì)象，其主要參數(shù)為：轉(zhuǎn)輪直徑4678.5 mm，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口高度656.25 mm，額定轉(zhuǎn)速300 r/min，額定水頭200 m，額定水輪機(jī)工況和水泵工況導(dǎo)葉開(kāi)度分別為23度和22度。計(jì)算區(qū)域如圖1所示，包括蝸殼區(qū)域、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)區(qū)域（19個(gè)固定導(dǎo)葉和20個(gè)負(fù)曲率活動(dòng)導(dǎo)葉）、轉(zhuǎn)輪區(qū)域（7個(gè)葉片）和尾水管區(qū)域。

根據(jù)不同區(qū)域的流動(dòng)特性及大規(guī)模并行計(jì)算的特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)格的設(shè)計(jì)和分區(qū)劃分，流固界面為非滑移界面，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)區(qū)域形成的動(dòng)靜界面上設(shè)置滑移界面，采用HyperMesh實(shí)現(xiàn)各區(qū)域網(wǎng)格劃分。蝸殼區(qū)域（除鼻端）、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)區(qū)域、尾水管區(qū)域采取結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，其余區(qū)域采取適應(yīng)性強(qiáng)的四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)區(qū)域、轉(zhuǎn)輪區(qū)域網(wǎng)格最大尺度控制不超過(guò)15 mm，其中葉道及近壁區(qū)域的網(wǎng)格尺度控制為不超過(guò)6 mm，第一層網(wǎng)格離壁面的距離y+≤25；蝸殼進(jìn)口區(qū)域與尾水管區(qū)域網(wǎng)格尺度控制分別為不超過(guò)40 mm和50 mm。按此原則劃分各計(jì)算區(qū)域形成基本網(wǎng)格方案A，其總單元數(shù)為19 685 714個(gè)，局部區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示。

為檢驗(yàn)網(wǎng)格設(shè)計(jì)的合理性，在網(wǎng)格方案A的基礎(chǔ)上，分別采用1倍和2倍加密方式，形成網(wǎng)格方案B和C。以額定水輪機(jī)工況作為網(wǎng)格檢驗(yàn)計(jì)算工況，比較葉片壓力面壓力分布及轉(zhuǎn)輪水力矩的數(shù)值結(jié)果，判斷網(wǎng)格的合理性。通過(guò)比較，網(wǎng)格方案B和C的計(jì)算結(jié)果十分接近，轉(zhuǎn)輪水力矩相差僅為0.49%，故選用網(wǎng)格方案B作為本文數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格。

圖1 計(jì)算區(qū)域

圖2 導(dǎo)葉中心處網(wǎng)格剖面圖

2.2 計(jì)算方法及初始條件 選用大渦模擬Smagoringsky-Lilly亞格子應(yīng)力動(dòng)力模式，該模式克服了經(jīng)典Smagoringsky常規(guī)模式的缺點(diǎn)。在網(wǎng)格方案B網(wǎng)格規(guī)模的原則下，采用貼體坐標(biāo)下的有限體積法和非交錯(cuò)網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行空間離散。采用二階全隱式格式進(jìn)行時(shí)間離散，其中對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，源項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)采用二階中心格式。

水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)為水泵工況的增減負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程計(jì)算按給定轉(zhuǎn)速，改變導(dǎo)葉開(kāi)度的方式設(shè)定。水輪機(jī)工況采取流速進(jìn)口，壓力出口；水泵工況采取質(zhì)量進(jìn)口，自由出流。選取過(guò)渡過(guò)程軌跡線上水輪機(jī)工況點(diǎn)及水泵工況點(diǎn)各5個(gè)進(jìn)行非定常計(jì)算，參數(shù)如表1所示，表中Pn為額定工況。

表1 計(jì)算工況及參數(shù)

每個(gè)工況先進(jìn)行定常計(jì)算，并以定常計(jì)算結(jié)果作為非定常計(jì)算的初始條件?？紤]轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速以及計(jì)算規(guī)模，確定轉(zhuǎn)輪每旋轉(zhuǎn)1.5°（相當(dāng)于0.833 ms）作為1個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)［14］，即轉(zhuǎn)輪每旋轉(zhuǎn)一周計(jì)算240個(gè)時(shí)間步，每個(gè)時(shí)間步收斂殘差目標(biāo)值0.001。計(jì)算時(shí)長(zhǎng)按7個(gè)旋轉(zhuǎn)周期考慮，選擇已經(jīng)穩(wěn)定的第6個(gè)周期（T）計(jì)算結(jié)果6T時(shí)刻進(jìn)行分析。由于計(jì)算規(guī)模較大，使用昆明理工大學(xué)PowerCube-S01云立方漢柏高性能計(jì)算系統(tǒng)中一定數(shù)量的CPU核進(jìn)行并行計(jì)算。由于不同規(guī)模的并行計(jì)算選擇核數(shù)過(guò)多計(jì)算效率反而下降，本文選取了節(jié)點(diǎn)1中的60個(gè)CPU核進(jìn)行并行計(jì)算。每個(gè)工況計(jì)算需要約72～96 h，計(jì)算總計(jì)耗時(shí)約720 h。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 水輪機(jī)工況減負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程 圖3—圖8為水輪機(jī)各個(gè)工況流道內(nèi)渦核圖，各渦核圖均為渦量大小0.1時(shí)的渦核。水輪機(jī)額定工況100%Pn時(shí)，水流在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前流體的壓力和速度分布較均勻，與導(dǎo)葉端部略有輕微撞擊，如圖3所示，導(dǎo)致導(dǎo)葉端部附近有少量渦結(jié)構(gòu)發(fā)展。水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，流速梯度急劇變化，湍動(dòng)逐步劇烈。理論上水輪機(jī)額定工況時(shí)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流速度與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口葉片骨線切線方向基本一致，即接近滿足最優(yōu)工況時(shí)無(wú)撞擊進(jìn)口條件，但由于動(dòng)靜干涉等影響，存在較小攻角。水流經(jīng)葉片前緣的阻礙后沿葉片內(nèi)弧和背弧流入葉道，在三維扭曲葉片曲面的黏性作用和由突起物引起的逆壓梯度的共同影響下，流動(dòng)在曲面上產(chǎn)生流動(dòng)分離，在葉片吸力面形成脫流，流態(tài)失穩(wěn)，脫流產(chǎn)生的旋渦在葉道內(nèi)形成復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)，即葉道渦。如圖3所示，葉道渦由一系列不同尺度的渦組成，約占據(jù)了葉道1/3空間。葉道渦沿著吸力面流向下游，匯聚一起，相互干擾，又不斷串級(jí)分叉，演化為許多小尺度渦。水流流出轉(zhuǎn)輪進(jìn)入尾水管，在尾水管直錐段和彎肘段內(nèi)流線相互纏繞，流動(dòng)狀態(tài)快速變化，最終在擴(kuò)散段趨于均勻。

圖3 水輪機(jī)工況100%Pn流道內(nèi)渦核

圖4 水輪機(jī)工況75%Pn流道內(nèi)渦核

圖5 水輪機(jī)工況50%Pn流道內(nèi)渦核

圖6 水輪機(jī)工況25%Pn流道內(nèi)渦核

圖7 水輪機(jī)工況1%Pn流道內(nèi)渦核

圖8 水輪機(jī)工況1%Pn葉道渦核

隨著導(dǎo)葉開(kāi)度減小，水流流量減少，水流對(duì)葉片端部攻角增大，與導(dǎo)葉端部撞擊加強(qiáng)，葉道內(nèi)流動(dòng)分離越來(lái)越顯著，葉道渦尺度增大，葉道中管狀渦和馬蹄渦的分布已十分明顯，表明流態(tài)呈失穩(wěn)狀態(tài)，如圖4、圖5所示。隨著導(dǎo)葉開(kāi)度進(jìn)一步的減小，活動(dòng)導(dǎo)葉間流道受限，轉(zhuǎn)輪內(nèi)流態(tài)紊亂加劇，流線相互纏繞且雜亂無(wú)章，葉道渦尺度相對(duì)較小但空間范圍廣，各葉道間的流態(tài)分布呈明顯不對(duì)稱狀態(tài)。如圖7、圖8所示，水輪機(jī)工況1%Pn時(shí)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)區(qū)域甚至出現(xiàn)了相對(duì)較多的渦結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)葉道渦結(jié)構(gòu)尺度小但較為均勻，且?guī)缀跽紳M了整個(gè)轉(zhuǎn)輪葉道空間，在葉片出水邊靠近下環(huán)側(cè)有眾多渦帶，轉(zhuǎn)輪出口水流不滿足法向出口條件，在水流絕對(duì)速度的圓周分量作用下在尾水管中心位置出現(xiàn)低壓并形成偏心尾水渦帶，此外尾水管擴(kuò)散段存在回流等現(xiàn)象。

如圖9所示，在其中一葉道內(nèi)設(shè)置5個(gè)與葉面形狀大小相同的虛擬面，葉片壓力面近壁面S1、葉道空間1/4處面S2、葉道中面S3、葉道空間3/4處面S4、葉片吸力面近壁面S5，分別觀察這5個(gè)面上渦的分布，以便揭示葉道中渦的演化規(guī)律。為便于觀察，一般情況可將渦結(jié)構(gòu)分解為流向渦和展向渦兩個(gè)分量。但由于轉(zhuǎn)輪內(nèi)葉道為三維扭曲空間，其流場(chǎng)流向復(fù)雜，將渦分解成流向渦和展向渦較困難，為此本文采用平均渦量值進(jìn)行比較分析。如圖10—圖15所示為水輪機(jī)工況50%Pn時(shí)各虛擬面附近渦核分布情況，如圖16所示為水輪機(jī)偏工況虛擬面平均渦量。可看出：除1%Pn水輪機(jī)工況外其它各偏工況虛擬面渦量線均為管狀的魚(yú)鉤型，葉片吸力面近壁面S5平均渦量值最大，葉片壓力面近壁面S1次之，其余依次為S4、S3、S2。平均渦量值越大的區(qū)域渦結(jié)構(gòu)越多，吸力面附近渦結(jié)構(gòu)最多，表明吸力面附近流動(dòng)分離相對(duì)顯著。渦結(jié)構(gòu)的演化伴隨著能量的耗散，可定義渦能耗散系數(shù)We代表渦能，Q代表流量，H代表水頭。計(jì)算可得：同一水頭下，1%Pn水輪機(jī)工況渦能耗散系數(shù)最大，其余依次為25%Pn水輪機(jī)工況、50%Pn水輪機(jī)工況、75%Pn水輪機(jī)工況。由此可知：開(kāi)度越小，渦能耗散系數(shù)越大，渦結(jié)構(gòu)能量損耗越大。

根據(jù)上述分析以及如圖3—圖8所示結(jié)構(gòu)分布，展示了水輪機(jī)工況不同開(kāi)度下的葉道內(nèi)渦系結(jié)構(gòu)及分布特征。由圖可知，不同攻角下，轉(zhuǎn)輪葉道內(nèi)渦系結(jié)構(gòu)不同。攻角較小時(shí)，穩(wěn)定螺旋點(diǎn)在葉道內(nèi)發(fā)展為較小的渦結(jié)構(gòu)，類似于羊角渦，促使主渦非對(duì)稱發(fā)展。攻角較大時(shí)，發(fā)展為馬蹄渦，通過(guò)牽制主渦渦核，抑制主渦向非對(duì)稱發(fā)展。并隨著攻角繼續(xù)增大而演變?yōu)橐粋€(gè)復(fù)雜的多渦系（稱之為主體渦系），如圖7所示，不僅包含了主渦還包含了復(fù)雜的二次渦結(jié)構(gòu)，對(duì)于非定常馬蹄渦系還包含了多種非定常運(yùn)動(dòng)模態(tài)的旋渦結(jié)構(gòu)。攻角中等時(shí)，葉道內(nèi)既形成羊角渦，又形成馬蹄渦，還存在管狀渦。

圖9 葉道等分截面示意圖

圖10 水輪機(jī)工況50%Pn時(shí)面S1附近渦核

圖12 水輪機(jī)工況50%Pn時(shí)面S3附近渦核

圖11 水輪機(jī)工況50%Pn時(shí)面S2附近渦核

圖13 水輪機(jī)工況50%Pn時(shí)面S4附近渦核

圖14 水輪機(jī)工況50%Pn時(shí)面S5附近渦核

圖15 水輪機(jī)工況50%Pn下某一葉道渦量渦核區(qū)

圖16 水輪機(jī)偏工況虛擬面平均渦量

受測(cè)量手段和分析方法的制約，對(duì)渦系的研究還較為有限。各類渦結(jié)構(gòu)的形態(tài)和功能不盡相同，例如羊角渦也叫直立渦、螺旋渦、龍卷渦等，是流動(dòng)中三維分離的結(jié)果。羊角渦物面形態(tài)為分離螺旋點(diǎn)，呈龍卷形狀。羊角渦的出現(xiàn)頻率較高，結(jié)構(gòu)尺度較小，渦強(qiáng)度較弱，但它通過(guò)主渦來(lái)體現(xiàn)它的水動(dòng)力作用和對(duì)主渦系發(fā)展的影響。

在研究湍流時(shí)，人們常注重主渦系的發(fā)展，一般很少觀察或注意到羊角渦的存在及其特性。管狀渦是流動(dòng)結(jié)構(gòu)在葉道空間中發(fā)展的結(jié)果，由于管狀渦屬于擰旋渦結(jié)構(gòu)，具有周向分量，外形經(jīng)相鄰葉片壁面的拉展形如水管狀，在一般的數(shù)值計(jì)算中較難捕捉到，故在文獻(xiàn)中極少提及，本文捕捉的管狀渦位于葉道中部位置，在葉道出口位置消失。馬蹄渦渦量強(qiáng)度較大，渦的形成機(jī)制相對(duì)管狀渦而言較為單一，數(shù)值計(jì)算中容易捕捉，一些學(xué)者對(duì)平面二維流場(chǎng)馬蹄渦進(jìn)行大量研究，如陳啟剛等［15］圓柱繞流產(chǎn)生的馬蹄渦進(jìn)行了研究，但三維扭曲空間內(nèi)的馬蹄渦仍鮮有報(bào)道。Adilozturk等［16］認(rèn)為“螺旋形流線是判斷馬蹄渦是否存在，確定馬蹄渦位置和形狀的主要依據(jù)，渦結(jié)構(gòu)具有螺旋形旋轉(zhuǎn)特征”。據(jù)此根據(jù)流線分布特性判斷出本文計(jì)算中馬蹄渦出現(xiàn)的位置如圖17、圖18所示，這與如圖5、圖7所示中捕捉到的馬蹄渦位置相符。但Jeong等［17］認(rèn)為“流線的外形隨著觀察坐標(biāo)系而改變，即流線不滿足伽利略不變性，由此流線方法識(shí)別出的渦結(jié)構(gòu)不具有普遍意義”。參考二維空間研究成果［15］，為保證識(shí)別出的渦結(jié)構(gòu)既具有螺旋形流線特性，其幾何形態(tài)又滿足伽利略不變性，定義旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度λci為馬蹄渦識(shí)別變量。

設(shè)三維流場(chǎng)中任一點(diǎn)的速度梯度矩陣為：

式中：U、V、W分別為該點(diǎn)x、y、z方向上的速度分量。

該速度梯度矩陣特征方程可表示為λ3+a1λ2+a2λ+a3=0，其中當(dāng)判別式（其中為正時(shí)，有一實(shí)根和兩個(gè)共軛復(fù)根λ=λcr±λcii，根的虛部λci即為旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，其大小反映旋渦結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。但需證明“λci滿足伽利略不變形，并當(dāng)流場(chǎng)任意一點(diǎn)的速度梯度矩陣具有復(fù)特征根時(shí)其周?chē)鲌?chǎng)呈螺旋形”。

圖17 水輪機(jī)工況50%Pn葉道內(nèi)流線

圖18 水輪機(jī)工況1%Pn葉道內(nèi)流線

強(qiáng)烈的非定常多渦系在葉道內(nèi)產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)力和沖刷碰撞作用，增加了能量的耗散，增加流體機(jī)械的阻力、引起較大的流動(dòng)能量損失、減小流體機(jī)械效率、增強(qiáng)流動(dòng)噪聲及機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)渦系非對(duì)稱時(shí)，在轉(zhuǎn)輪上會(huì)誘導(dǎo)出很大的側(cè)向力和偏心力矩。這也是不穩(wěn)定的復(fù)雜流動(dòng)結(jié)構(gòu)變化常導(dǎo)致機(jī)組失穩(wěn)，輕則廠房噪音增大、機(jī)組振擺增大、有功突變、調(diào)速器接力器微動(dòng)頻繁、并網(wǎng)不成功等，重則引發(fā)機(jī)組事故的重要水力因素之一，如云南某梯級(jí)電站4號(hào)發(fā)電機(jī)（600 MW）注入式定子一點(diǎn)接地保護(hù)電源觸點(diǎn)因長(zhǎng)期空載振動(dòng)以致松脫導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作機(jī)組跳閘。因此，在工程實(shí)踐中應(yīng)注意防范。

3.2 水泵工況增流量過(guò)渡過(guò)程 水泵工況1%Pn流道內(nèi)流線見(jiàn)圖19，各水泵工況流道內(nèi)渦核見(jiàn)圖20-圖24。水泵水輪機(jī)在水泵工況小流量區(qū)運(yùn)行時(shí)，水流在尾水管內(nèi)流動(dòng)平穩(wěn)，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪后與葉片進(jìn)水邊發(fā)生撞擊產(chǎn)生漩渦結(jié)構(gòu)，并在葉片出水邊附近產(chǎn)生渦帶（見(jiàn)圖19—圖20）。由于擁塞葉道內(nèi)流線呈螺旋狀上升，水流流出轉(zhuǎn)輪進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；由于活動(dòng)導(dǎo)葉間流道狹小，水流無(wú)法快速通過(guò)，導(dǎo)致了回流現(xiàn)象，且在活動(dòng)導(dǎo)葉尾端脫流產(chǎn)生一系列渦結(jié)構(gòu)。渦結(jié)構(gòu)隨著水流流向蝸殼，在固定導(dǎo)葉間大量潰滅。相對(duì)于水泵工況其它流量區(qū)工況，水泵工況小流量區(qū)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流與葉片進(jìn)水邊攻角較大，產(chǎn)生撞擊，脫流較為嚴(yán)重。

圖19 水泵工況1%Pn流道內(nèi)流線

隨著活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度增大，水流增大，流態(tài)越趨于平穩(wěn)，流線平滑且均勻，在轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)流線不再呈螺旋狀，但仍可觀察到少量的活動(dòng)導(dǎo)葉尾跡。伴隨著流量進(jìn)一步加大，由于水流擁塞，流線越趨不均勻與不平順。尾水管內(nèi)流線相互纏繞，且水流存在旋轉(zhuǎn)分量。轉(zhuǎn)輪流道內(nèi)流線與小流量工況時(shí)相似，呈螺旋狀上升。且在尾水管彎肘段略有少量渦結(jié)構(gòu)。此外，在轉(zhuǎn)輪葉片壓力面進(jìn)口邊靠近下環(huán)側(cè)附近因撞擊產(chǎn)生有大量旋渦結(jié)構(gòu)，部分流體在漩渦結(jié)構(gòu)作用下沿尾水管邊壁反向流入尾水管，下環(huán)側(cè)周向外側(cè)流道的反向流形成分離渦。

圖21 水泵工況25%Pn流道內(nèi)渦核

圖22 水泵工況50%Pn流道內(nèi)渦核

圖23 水泵工況75%Pn流道內(nèi)渦核

圖24 水泵工況100%Pn流道內(nèi)渦核

水泵工況轉(zhuǎn)輪內(nèi)渦結(jié)構(gòu)相對(duì)較少，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)區(qū)域內(nèi)渦結(jié)構(gòu)變化較大。如圖25—圖29所示，為各水泵工況導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心剖面渦量（絕對(duì)值），如圖30所示為導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心剖面平均渦量。由此可見(jiàn)，水泵工況100%Pn下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)渦量絕對(duì)值最大，水泵工況1%Pn下最小，其它工況居中。水泵工況100%Pn時(shí)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)渦量絕對(duì)值受流量擁塞影響較大，而水泵工況1%Pn時(shí)最主要影響因素來(lái)自壁面黏性。

圖25 水泵工況1%Pn導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心剖面渦量

圖26 水泵工況25%Pn導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心剖面渦量

相對(duì)于水泵工況，水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)輪內(nèi)渦量最高，渦系發(fā)育更為明顯，渦結(jié)構(gòu)較多，大部分分布在葉道前半位置，且隨導(dǎo)葉開(kāi)度變化明顯。如圖30所示，水泵工況導(dǎo)水機(jī)構(gòu)平均渦量高于對(duì)應(yīng)水輪機(jī)工況。且水泵工況額定工況下平均渦量最大，空載時(shí)最小。而水輪機(jī)工況反之，空載時(shí)平均渦量最大。在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)區(qū)域，水輪機(jī)工況渦結(jié)構(gòu)變化較小，且不易觀察到渦結(jié)構(gòu)，而水泵工況渦結(jié)構(gòu)較多且隨導(dǎo)葉開(kāi)度變化明顯。

上述分析表明，水泵工況和水輪機(jī)工況在轉(zhuǎn)輪區(qū)域及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)區(qū)域渦結(jié)構(gòu)特征基本相反，但存在共性，即：水流從大空間流向小空間，流道受阻，渦結(jié)構(gòu)增多且變化顯著；反之，流道較順暢，渦結(jié)構(gòu)變化不明顯且相對(duì)較少。

圖27 水泵工況50%Pn導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心剖面渦量

圖28 水泵工況75%Pn導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心剖面渦量

圖29 水泵工況100%Pn導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心剖面渦量

圖30 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心剖面平均渦量

4 結(jié)論

本文采用基于Smagorinsky-Lilly亞格子應(yīng)力模型的大渦模擬方法，對(duì)水泵水輪機(jī)額定水輪機(jī)工況轉(zhuǎn)為額定水泵工況增減負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程進(jìn)行了三維非定常湍流數(shù)值計(jì)算，并重點(diǎn)分析水輪機(jī)工況及水泵工況小流量區(qū)的不穩(wěn)定流動(dòng)結(jié)構(gòu)，探尋流態(tài)發(fā)生巨變主要因素。根據(jù)分析研究得出如下結(jié)論：

（1）由于轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流速度與進(jìn)口葉片骨線切線方向不一致，存在攻角，水流經(jīng)葉片前緣的阻礙后沿葉片內(nèi)弧和背弧流入葉道，在三維扭曲葉片曲面的黏性作用和由突起物引起的逆壓梯度的共同影響下，邊界層流動(dòng)在曲面上發(fā)展產(chǎn)生三維流動(dòng)分離，形成脫流，脫流的旋渦在葉道內(nèi)形成復(fù)雜的渦系，即葉道渦。計(jì)算捕捉到了葉道中發(fā)展的管狀渦。

（2）水流進(jìn)口攻角不同，誘發(fā)的葉道渦渦系結(jié)構(gòu)也不同。攻角較小時(shí)，管狀渦的破裂將導(dǎo)致螺旋渦在葉道內(nèi)發(fā)展為羊角渦；攻角較大時(shí)，發(fā)展為馬蹄渦；攻角中等時(shí)，葉道內(nèi)既形成羊角渦，又形成馬蹄渦，攻角越大形成的渦系越復(fù)雜。

（3）水輪機(jī)工況時(shí)，葉片近壁面平均渦量大且吸力面高于壓力面，流動(dòng)分離相對(duì)顯著，流道中間次之。導(dǎo)葉開(kāi)度越小，渦結(jié)構(gòu)能量損耗越大。

（4）水泵工況下導(dǎo)水機(jī)構(gòu)區(qū)域內(nèi)渦結(jié)構(gòu)隨開(kāi)度變化顯著，其平均渦量高于對(duì)應(yīng)水輪機(jī)工況。且水泵工況額定工況下平均渦量最大，空載時(shí)最小。而水輪機(jī)工況反之，空載時(shí)平均渦量最大。水流從大空間流向小空間，流道受阻，渦結(jié)構(gòu)增多且變化顯著；反之，流道較順暢，渦結(jié)構(gòu)變化不明顯且相對(duì)較少。

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