基于LES 的水泵水輪機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉小開度射流噪聲研究

劉 輝 鄧 鑫 李浩亮 黃世海

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司,四川 德陽(yáng) 618000)

1 概述

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)是水輪發(fā)電機(jī)組的核心部件之一,主要由頂蓋、活動(dòng)導(dǎo)葉、底環(huán)、控制環(huán)等部件組成。引水室中的水流經(jīng)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)后再進(jìn)入轉(zhuǎn)輪?；顒?dòng)導(dǎo)葉是控制進(jìn)入轉(zhuǎn)輪水流方向和大小的裝置,活動(dòng)導(dǎo)葉通過(guò)轉(zhuǎn)角控制進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流環(huán)量,以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組出力的要求。在轉(zhuǎn)輪停止工作時(shí),活動(dòng)導(dǎo)葉又必須關(guān)閉以截?cái)嗨?。由于水泵水輪機(jī)水頭較高,通常為100～1000m 不等,因此水泵水輪機(jī)的工作壓力非常高[1,2]。特別是停機(jī)工況下,球閥未關(guān)閉時(shí),活動(dòng)導(dǎo)葉上、下游的壓差特別大(上游為工作水頭,下游為尾水位水頭)。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),從關(guān)閉到啟動(dòng)的初始階段,活動(dòng)導(dǎo)葉打開,當(dāng)相鄰導(dǎo)葉之間形成較小的間隙時(shí),通常伴隨著較為明顯的異常噪聲。目前,對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉小開度下噪聲產(chǎn)生的原因還缺乏深入的認(rèn)識(shí),相關(guān)方面的研究也較少[3,4]。一些其它學(xué)科的專家認(rèn)為,流體進(jìn)入窄縫后會(huì)形成高速流體,高速流體從窄縫噴出后與開闊流體域內(nèi)的低速流體相互剪切形成高雷諾數(shù)的射流[5],射流與周圍的流體微團(tuán)進(jìn)行動(dòng)量交換和能量交換,并最終形成大小和旋轉(zhuǎn)方向隨機(jī)變化的漩渦[6]。其中,大尺度渦旋會(huì)引起低頻脈動(dòng),小尺度渦旋會(huì)引起高頻脈動(dòng),這些都能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生噪聲[7,8]。本文在此基礎(chǔ)上,通過(guò)大渦模擬(LES)和FW-H 模型,對(duì)活動(dòng)導(dǎo)葉小開度下的流動(dòng)特性及聲學(xué)特性進(jìn)行了模擬分析,研究成果為水泵水輪機(jī)噪聲等問題的研究提供了一定參考。

2 數(shù)值計(jì)算方法與建模

2.1 大渦模擬控制方程

大渦模擬的基本原理是大、小尺度湍流運(yùn)動(dòng)的分離。LES的理論建立在兩個(gè)基本假設(shè)之上:第一個(gè)為湍流的平均特性,主要由大尺度湍流運(yùn)動(dòng)來(lái)控制,幾乎不受小尺度湍流運(yùn)動(dòng)的影響；第二個(gè)假設(shè)為大尺度湍流的各向同性,特別在高雷諾數(shù)下。LES 將湍流中的渦旋按照某種原則分成大小兩類,通過(guò)對(duì)非定常的Navier-Stokes方程進(jìn)行濾波,可以有效地過(guò)濾出那些尺度小于過(guò)濾器寬度或網(wǎng)格間距的渦旋,得到LES 的控制方程[9-11]。

濾波后的渦旋變量定義如下:

式(1)中,D 為流體域,G 為確定渦旋尺度的濾波函數(shù)。

未被過(guò)濾掉的部分變量 φ′定義為:

應(yīng)注意的是,過(guò)濾后的波動(dòng)并不為零,即:

將空間域離散化為有限控制體,濾波后渦旋變量的隱式方程為:

式(4)中,V 為控制體積。濾波函數(shù)為:

流體介質(zhì)的連續(xù)性方程為:

式(6)中,ρ 表示未擾動(dòng)時(shí)的流體密度。

Navier-Stokes方程為:

式(7)中:v=μ /ρ,表示流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；P 表示當(dāng)?shù)貕毫Γ沪蘨表示xi的速度矢量。

因此,可得濾波后的Navier-Stokes方程為:

式(8)中 τij為亞格子應(yīng)力張量。

2.2 FW_H 方程

本研究采用大渦模擬(LES)數(shù)值方法計(jì)算射流流場(chǎng),在此基礎(chǔ)上使用FW-H 方法計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲。忽略聲源面外部四極子聲源項(xiàng)對(duì)應(yīng)的噪聲,則FW-H 方程計(jì)算的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲可以表示為厚度噪聲 p ′T 和載荷噪聲 p ′L之和:考慮到本項(xiàng)研究所選取的聲源面處于靜止?fàn)顟B(tài),且聲源面單位外法向量n 與時(shí)間t 無(wú)關(guān),p ′T 與 p ′L的積分解形式為:

式(10)、式(11)中,f=0 代指聲源面坐標(biāo)y 構(gòu)成的曲面；ρa(bǔ)和ca分別表示環(huán)境介質(zhì)的密度與聲速；ri為聲源至聲觀測(cè)點(diǎn)的矢量分量。Ui、Li分別為:

2.3 計(jì)算模型與測(cè)點(diǎn)

為提高計(jì)算效率,計(jì)算模型選取兩個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉之間的一個(gè)基本周期作為計(jì)算流體域。在進(jìn)行聲學(xué)特性分析時(shí),為了保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,一個(gè)聲波波長(zhǎng)內(nèi)應(yīng)至少包含6 個(gè)計(jì)算單元,即最大頻率的聲波波長(zhǎng)的1/6,由此可得到聲學(xué)網(wǎng)格的最大單元長(zhǎng)度 Δxmax≤50mm。

設(shè)置進(jìn)水口為壓力入口,施加7.142Mpa 壓力(上游水庫(kù)水壓),設(shè)置出水口為壓力出口,施加0.843(尾水水壓),模型兩側(cè)對(duì)稱面施加旋轉(zhuǎn)對(duì)稱邊界,其余面為壁面,如圖1 所示。在活動(dòng)導(dǎo)葉之間的窄間隙流體域中設(shè)置三組噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn),即上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)、間隙監(jiān)測(cè)點(diǎn)和下游監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖1 所示。為保證小開度下射流噪聲發(fā)展充分,提高計(jì)算結(jié)果的可信度,載荷步數(shù)設(shè)置為4000 步,時(shí)間步設(shè)置為每步5e-5s(采樣頻率為20KHz)。根據(jù)采樣頻率及采樣定理,轉(zhuǎn)換得到的射流噪聲流場(chǎng)信息頻域的分辨率 Δf為4Hz,最高頻率為5000Hz。

圖1 計(jì)算模型及噪聲測(cè)點(diǎn)示意圖

3 結(jié)果與分析

3.1 流場(chǎng)結(jié)果與分析

研究發(fā)現(xiàn),導(dǎo)葉小開度下,當(dāng)相鄰兩個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉之間的間隙小于4mm 時(shí),流體經(jīng)過(guò)間隙后并沒有向前流動(dòng),而是沿著導(dǎo)葉壁面反向流動(dòng),間隙內(nèi)的流速特別高,而其它區(qū)域的流速都較低,如圖2 所示。此外,活動(dòng)導(dǎo)葉的開度間隙小于4mm 時(shí),低壓區(qū)域擴(kuò)大至導(dǎo)葉的尾部區(qū)域,如圖3 所示,這可能是造成水流沿著導(dǎo)葉壁面反向流動(dòng)的原因。而當(dāng)間隙大于6mm 時(shí),流體通過(guò)間隙喉部后,保持向前流動(dòng),間隙中的流體速度也相對(duì)較大,如圖4 所示。壓力分析顯示,當(dāng)間隙大于6mm 時(shí),導(dǎo)葉尾部的低壓區(qū)消失了,如圖5 所示。

圖2 4mm 開度間隙流體流速分布

圖3 6mm 開度間隙流體壓力分布

圖4 6mm 開度間隙流體壓力分布

圖5 6mm 開度間隙流體壓力分布

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),不同導(dǎo)葉開度下,間隙喉部的最大流速也存在一定的關(guān)系。間隙小于6mm,即水流過(guò)間隙反向流動(dòng)時(shí),隨著間隙的增大,水流速度逐漸增加。而間隙大于6mm,水流過(guò)間隙順向流動(dòng)時(shí),隨著間隙的,水流速度逐漸減小,并且速度降低趨勢(shì)更明顯,如圖6 所示。

圖6 不同間隙下流體的最大流速

進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),在不穩(wěn)定狀態(tài)下,流體經(jīng)過(guò)窄間隙后在導(dǎo)葉前方形成了漩渦,如圖7 所示。當(dāng)間隙為2mm 時(shí),渦旋的規(guī)模不是特別明顯。當(dāng)間隙為4mm 時(shí),渦旋規(guī)模明顯,渦旋的流速約10m/s,渦旋的湍動(dòng)能也較大。而當(dāng)間隙大于10mm 時(shí),渦旋已基本消失。

圖7 不同立面間隙的流體最大流速

3.2 聲學(xué)結(jié)果與分析

湍動(dòng)能是衡量流場(chǎng)混合能力的重要指標(biāo)之一。上述研究發(fā)現(xiàn),間隙為4mm 時(shí),渦旋區(qū)域的湍動(dòng)能最大,此時(shí)更多的壓力能轉(zhuǎn)換為速度能,造成能量損失。而射流噪聲輻射功率與速度的8 次方成正比,即渦旋速度越大可能引起較大的噪聲。因此,在進(jìn)行聲學(xué)分析時(shí),選擇以4mm 間隙為研究對(duì)象進(jìn)行射流噪聲的模擬分析。

聲壓是傳播介質(zhì)中有聲場(chǎng)和無(wú)聲場(chǎng)時(shí)的壓強(qiáng)差,聲功率是單位時(shí)間某聲源發(fā)出的聲能,通過(guò)它們可以分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲值的大小和噪音頻率的影響程度。通過(guò)聲學(xué)分析,得到三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的聲壓等級(jí)和聲功率密度的變化數(shù)據(jù),如圖8～10所示。

圖8 上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲變化曲線圖和功率密度變化曲線

從圖8～10 可以看出,三個(gè)噪聲監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲頻譜均表現(xiàn)為寬頻帶的特點(diǎn),噪聲頻率以1000Hz 以下成分為主。當(dāng)頻率大于1000Hz 時(shí),聲衰減速度比較小,聲壓等級(jí)曲線基本為水平狀態(tài)。間隙監(jiān)測(cè)點(diǎn)的噪聲聲壓等級(jí)明顯大于上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)和下游監(jiān)測(cè)點(diǎn),這表明間隙內(nèi)射流的噪聲大于間隙外渦流產(chǎn)生的噪聲。此外,間隙內(nèi)噪音的波動(dòng)幅值度與上游、下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的噪聲波動(dòng)值相比也較小,這與該處流態(tài)的穩(wěn)定性有較大的關(guān)系。

圖9 間隙監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲變化曲線和功率密度變化曲線

圖10 下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲變化曲線和功率密度變化曲線

從功率密度變化曲線可以看出,上游監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲的主頻集中在200～300HZ,間隙監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲的主頻集中在25～120Hz,下游監(jiān)測(cè)點(diǎn)噪聲的主頻集中在25～150HZ 和200～300HZ 之間,總體表現(xiàn)為低頻噪聲為主的特征,這與現(xiàn)場(chǎng)異常噪聲實(shí)測(cè)反映的低頻為主的特征基本一致。

4 結(jié)論

本文通過(guò)LES 和FW-H 方法,對(duì)某抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)的水輪機(jī)工況下活動(dòng)導(dǎo)葉小開度射流流動(dòng)特性和射流噪聲進(jìn)行了分析研究,得出主要結(jié)論如下:

4.1 活動(dòng)導(dǎo)葉小開度下,窄間隙中的流場(chǎng)處于低壓狀態(tài),而窄間隙中的流體速度較大。當(dāng)導(dǎo)葉間隙小于4mm 時(shí),流體通過(guò)窄間隙后會(huì)在窄間隙的尾部形成連續(xù)的低壓區(qū),導(dǎo)致導(dǎo)葉內(nèi)部的流體沿著水流方向的反向流動(dòng)。

4.2 活動(dòng)導(dǎo)葉在小開度情況下,存在一個(gè)臨界間隙值(本研究為4mm),當(dāng)間隙為該值時(shí)會(huì)在導(dǎo)葉前端產(chǎn)生明顯的渦旋,該渦旋的速度和湍動(dòng)能都較大,遠(yuǎn)離這個(gè)臨界間隙值,渦旋會(huì)逐漸減弱甚至消失。

4.3 活動(dòng)導(dǎo)葉小開度下,間隙測(cè)點(diǎn)中的射流噪聲聲壓等級(jí)和聲功率密度都明顯高于上游和下游測(cè)點(diǎn),表明射流噪聲主要來(lái)源于導(dǎo)葉窄間隙中,噪聲主要頻率為25～150HZ。

4.4 活動(dòng)導(dǎo)葉小開度射流噪聲的成因與小開度情況下窄間隙中流體的低壓力、高流速特性密切相關(guān)。