某灯泡贯流式水轮机内部湍流的大涡模拟
某灯泡贯流式水轮机内部湍流的大涡模拟
0 、 引言
贯流式水轮机具有流量大，效率高，适应水头范围广等优点，在低水头开发中运用广泛。水轮
机内部压力脉动问题作为影响水电机组安全稳定运行的重大问题越来越受到重视。卡门涡、叶
道涡和尾水管涡带是引起压力脉动的主要因素，其中尾水管涡带引起的低频压力脉动尤为突
出。国内外学者对水轮机压力脉动的研究主要是针对混流式和轴流式水轮机展开。吴玉林和王
正伟等研究了混流式水轮机内部涡带和压力脉动的相关性，分析了小开度下尾水管涡带的发
展、消散过程与压力脉动的关系。钱忠东等研究了补气减振，不同步导叶等措施对混流式水轮
机压力脉动的影响。Wu 等研究了轴流式水轮机原型和模型压力脉动特征，探讨了两者在压力
脉动方面存在的相似关系。Liu 等对轴流式水轮机全流道非定常湍流进行模拟，预测了全流道
压力脉动。
对贯流式水轮机的研究主要针对机组内部流动和外特性。Sang-HyunNam 等研究了不同导叶开
度下，贯流式水轮机的内部流态特征。刘延泽等分析了重力场对贯流式水轮机转轮段的流态的
影响，分析认为水头和转轮直径之比超过 5 时可以忽略重力场的影响。黎辉等模拟了贯流式水
轮机叶片和轮毂之间的间隙来反应真实的流态。Thaithacha Sudsuansee 等对贯流式水轮机叶片
头部的空化做了数值模拟。Yang 等针对某贯流式水轮机出现出力不足、稳定性差、机组振动
突出等问题，对其叶片进行了改型设计。
本文采用大涡模拟对某灯泡贯流式水轮机内部湍流进行模拟，预测了导叶段、转轮段、尾水管
段五个特征面上的点和叶片上点的压力脉动，分析了整个流道内部压力脉动传递规律，以及小
流量工况下涡带对流道内压力脉动的影响。
1 、 物理模型
以某水电站模型水轮机为对象，转轮直径 D=0.34m，16 个导叶，3 个叶片。计算区域包括进水
口、导叶段、转轮段，尾水管段四大部分，如图 1 所示。选择额定工况 α=64° 和小流量工况
α=40° 两个工况。两个工况所对应的水头均 H=5.23m ，转轮转速 n=1544.1rpm。
2 、 数值计算方法
采用适应性强的非结构化四面体网格划分进口段、导叶段、转轮段和尾水管段四部分。全流道
网格单元数为 7×106 ，其中进口段 0.2×106 ，导叶段 1.45×106 ，转轮段 5.16×106 （如图 2），尾
水管段 0.2×106。水轮机转轮与导水机构、转轮与尾水管间存在两级动静干扰，使用滑移网格
技术实现固定部件和旋转部件的信息传递，从而模拟动静干扰流。
采用有限体积法（FVM）离散控制方程，在时间离散上采用二阶全隐式格式，扩散项应用二阶
中心差分格式，其他项采用二阶迎风格式，采用 SIMPLEC 算法实现压力和速度的耦合。在本
文计算中，时间步长设定为转轮周期 0.03885s 的1/80, 计算时长为20 个周期总共 0.777s。，计
算步长为0.0004857s。水轮机进、出口均采用压力边界条件，固体壁面采用无滑移边界条件。
为了很好的预测水轮机内部的压力脉动，采用大涡模拟方法（Large Eddy Simulation）模拟湍
流。
控制方程为：
3 、 计算及实验记录点
从导叶段开始到尾水管总共截取了5 个断面，断面1 位于导叶前，断面2 位于导叶段和转轮段
之间，断面3 位于转轮出口处，断面4 和断面5 位于尾水管中后部。每个断面上选取4 个点。
叶片压力面和吸力面各取 9 个点，共选取了38 个监测点进行分析（文中使用
Wp，Pp，Sp，Dp 代表导叶段，叶片压力面，叶片吸力面，尾水管段的监测点）。
4 、 计算结果分析
4.1 计算结果验证
为验证数学模型的可靠性，对模型水轮机的压力脉动进行了测试，测试点对应于断面4 上的
Dp5 点。数值计算结果与实验测试的比较如表1 所示。其中，工况 1 为额定工况，导叶开度为
64° ；工况 2 为小流量工况，导叶开度为 40°。从表中可以看出计算结果和实验测试结果吻合很
好，但还是有一定的偏差。这是因为计算模型中忽略了上下游的水位波动情况。
4.2 压力脉动计算结果分析
选择每个断面脉动幅值最大的点作为断面的特征点进行分析。两个工况断面特征点压力脉动频
谱图，表2 为两个工况下的压力脉动幅值结果。
摘要：
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某灯泡贯流式水轮机内部湍流的大涡模拟0、引言贯流式水轮机具有流量大，效率高，适应水头范围广等优点，在低水头开发中运用广泛。水轮机内部压力脉动问题作为影响水电机组安全稳定运行的重大问题越来越受到重视。卡门涡、叶道涡和尾水管涡带是引起压力脉动的主要因素，其中尾水管涡带引起的低频压力脉动尤为突出。国内外学者对水轮机压力脉动的研究主要是针对混流式和轴流式水轮机展开。吴玉林和王正伟等研究了混流式水轮机内部涡带和压力脉动的相关性，分析了小开度下尾水管涡带的发展、消散过程与压力脉动的关系。钱忠东等研究了补气减振，不同步导叶等措施对混流式水轮机压力脉动的影响。Wu等研究了轴流式水轮机原型和模型压力脉动特征，探...
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