【摘要】：在當(dāng)今世界能源轉(zhuǎn)型和我國科技長征的大背景下,能源行業(yè)面臨著從粗放的資源密集型運(yùn)營方式向高效的科技密集型運(yùn)營方式轉(zhuǎn)變,這意味著相關(guān)上游行業(yè)和相關(guān)研究應(yīng)該增強(qiáng)創(chuàng)新并保證可靠。水電作為成熟的可再生能源在并入電網(wǎng)時(shí)應(yīng)保證其可靠性,所以水輪機(jī)機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡力避免振動(dòng),維持整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。造成機(jī)組不穩(wěn)定的一項(xiàng)重要原因就是壓力脈動(dòng),尤其尾水管中的低頻壓力脈動(dòng)是造成機(jī)組劇烈振動(dòng)的重要原因之一。當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行在非設(shè)計(jì)工況,這種壓力脈動(dòng)的來源主要是尾水渦帶,由于尾水渦帶引起的壓力脈動(dòng)在某些情況下甚至可能毀壞整個(gè)機(jī)組、管路系統(tǒng)甚至廠房。在不同工況下,尾水管中的渦帶形態(tài)特征,發(fā)展規(guī)律都呈現(xiàn)出不同的特性,成為制約水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。所以大量學(xué)者針對(duì)尾水渦帶做了深入研究,主要集中在尾水渦帶的形成機(jī)理,發(fā)展特性,以及改善措施,嘗試尋找合理可行的方法來抑制尾水渦帶,減少由渦帶引起的壓力脈動(dòng)。本文選取混流式水輪機(jī)作為研究對(duì)象,以理論分析,模型實(shí)驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬的手段,詳細(xì)分析尾水管各個(gè)部分內(nèi)流場(chǎng)特征,研究尾水管渦帶的形成機(jī)理和泄水錐改型對(duì)渦帶不穩(wěn)定性和壓力脈動(dòng)特性等的影響,嘗試尋求高效高精準(zhǔn)的手段來改善渦帶,減弱由于渦帶旋轉(zhuǎn)帶來的不良影響。同時(shí)為后續(xù)的相關(guān)研究做好鋪墊和探索,推進(jìn)水電行業(yè)發(fā)展。(1)結(jié)合水力實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的水輪機(jī)模型實(shí)驗(yàn)得到的錄像,分析水輪機(jī)運(yùn)行在不同工況下所產(chǎn)生的不同渦帶形態(tài)及其發(fā)展規(guī)律。將水輪機(jī)在運(yùn)行特性曲線劃分為無渦區(qū),碎渦區(qū),旋轉(zhuǎn)渦區(qū),柱渦區(qū)等。其中16mm開度下旋轉(zhuǎn)渦帶具有典型的螺旋狀結(jié)構(gòu),隨著轉(zhuǎn)輪同向旋轉(zhuǎn),周期性“抽動(dòng)”尾水管。并著重研究在此工況下泄水改型對(duì)渦帶形態(tài)的影響,并采用傅立葉變換對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,發(fā)現(xiàn)泄水錐改型可以改變渦帶形態(tài)并影響尾水管壓力脈動(dòng)。(2)分別選取旋轉(zhuǎn)渦區(qū)的完整旋轉(zhuǎn)渦帶,破碎旋轉(zhuǎn)渦帶和柱渦區(qū)的完整柱渦帶,破碎柱渦帶4種不同的工況,采用穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的方法,探究渦帶的形成機(jī)理并對(duì)其進(jìn)行不穩(wěn)定性分析。在旋轉(zhuǎn)渦區(qū),由于轉(zhuǎn)輪出口存在速度環(huán)量和壓力梯度作用,可形成螺旋狀有形渦帶,且尾水管入口處的流動(dòng)狀態(tài)為相對(duì)不穩(wěn)定流動(dòng),所以在此處增加泄水錐可以有效改善渦帶。(3)在原型泄水錐的基礎(chǔ)上對(duì)泄水錐進(jìn)行改型,選擇典型的螺旋狀渦帶和柱狀渦帶工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算,對(duì)比不同結(jié)構(gòu)形式泄水錐對(duì)各個(gè)部件流場(chǎng)信息的影響,發(fā)現(xiàn)異形泄水錐有利于幫助流體軸向流動(dòng),從而使得渦帶舒展伸直,長直泄水錐則會(huì)在一定程度上減小軸向主流,導(dǎo)致渦帶螺旋加劇。而在柱渦工況下長直泄水錐會(huì)使得渦帶旋轉(zhuǎn)加劇,但是異形泄水錐則會(huì)強(qiáng)化射流。(4)選取16mm活動(dòng)導(dǎo)葉開度工況進(jìn)行非定常全流道計(jì)算,可以確定尾水管的低頻壓力脈動(dòng)來源于尾水渦帶,且脈動(dòng)幅值與螺旋狀渦帶的旋轉(zhuǎn)半徑正相關(guān)。尾水管入口可能存在的高頻脈動(dòng)來源于動(dòng)靜干涉,但進(jìn)入尾水管后會(huì)逐漸消失。泄水錐改型對(duì)脈動(dòng)主頻略有影響,基礎(chǔ)泄水錐和異形泄水錐可以大幅削弱動(dòng)靜干涉,對(duì)于在降低壓力脈動(dòng)幅值方面長直泄水錐效果更好。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK733.1
【圖文】：

圖 1-1 實(shí)驗(yàn)裝置圖Favrel[22]使用模型實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了混流式水輪機(jī)閉環(huán)水力系統(tǒng)共振觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。Arpe[23]發(fā)現(xiàn)了高比轉(zhuǎn)速混流式水輪機(jī)的極品值是劉道 2.5 倍，并說明壓力波動(dòng)激勵(lì)源在尾水管彎肘。洪禮聰?shù)萚24]結(jié)合卷積神經(jīng)網(wǎng)波系數(shù)云圖使用智能識(shí)別的方法，提取出渦帶的形態(tài)。Nilsson 等[25]基于對(duì)動(dòng)急劇膨脹的實(shí)驗(yàn)研究，使用四種不同的模型進(jìn)行數(shù)值模擬預(yù)測(cè)非空化渦生運(yùn)動(dòng)和發(fā)展，結(jié)果表明 DES 和 LES 能夠很好預(yù)測(cè)平均速度分量和湍流 等[40]采用空化模型進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)空化系數(shù)決定了渦帶的可見性。郭用滑移網(wǎng)格技術(shù)和大渦模擬方法，捕捉到了尾水管近壁湍流特性及分離現(xiàn)ang 等[39]對(duì)比了混合模型和長模型對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，結(jié)果表模型可以降低二次渦的產(chǎn)生概率。高忠信[29]等采用全流道非定常的模擬方了數(shù)值模擬可行性。錢忠東[30]使用 4 種不同的湍流模型對(duì)流態(tài)進(jìn)行模擬，明湍流型與網(wǎng)格尺度不存在單調(diào)線性關(guān)系。麻全[31]對(duì)比了兩種常用的湍流標(biāo)準(zhǔn) k-ε 模型、k-ωSST 模型），發(fā)現(xiàn)使用不同湍流模型計(jì)算會(huì)從不同角度影結(jié)果，但都接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖 2-1 水輪機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)分布2 為四個(gè)渦區(qū)的渦帶形態(tài)。當(dāng)水輪機(jī)運(yùn)行在旋轉(zhuǎn)渦區(qū)和柱渦和破碎渦帶兩種情況，如下圖所示。完整渦帶邊緣清晰，形模糊，沒有清晰規(guī)整的邊界，并伴隨有大量游離的氣泡。由管壓力脈動(dòng)較小，所以本文著重研究旋轉(zhuǎn)渦區(qū)以及柱渦區(qū)。

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