一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法技术

本发明专利技术提出了一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法，包括建立模型测试实验系统，选取湍流模型，使用RANS模拟方法进行水轮机全流场三维非定常模拟，所述水轮机全流场三维模拟方法的计算包括几何建模、网格设置、数值方法、控制方程以及边界条件设置，综合模型实验和数值模拟数据，对不同流量偏工况下的不同泄水锥打孔模型进行测试。本发明专利技术解决了现有技术中水轮机组内部的非定常流动问题，尤其是尾水管内涡带及相应压力脉动问题。

Water discharge cone drilling method based on three-dimensional flow field simulation method of hydraulic turbine

The invention provides a method for drilling cone flow in Francis Turbine Based on 3D simulation method, including the establishment of model test system, selection of turbulence model, the use of RANS flow in Francis turbine unsteady simulation method, the calculation of the flow in Francis turbine 3D simulation methods including geometric modeling, grid settings, numerical method, control equations and boundary conditions, the simulation data integrated model experiment and numerical test of different cone drilling model under the condition of different flow. The invention solves the unsteady flow problem in the hydraulic turbine set in the prior art, especially the vortex belt in the draft pipe and the corresponding pressure pulsation problem.

【技术实现步骤摘要】
一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法
本专利技术属于水轮机稳定性
，特别涉及一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法。
技术介绍
在水力发电重要性日益凸显的今天，提升水电站运行效率及水轮机运行稳定性的要求变得尤为突出。影响水轮机内部稳定运行的因素中，水力因素最为突出，包括旋转部件和静止部件之间的动静干涉、叶片表面脱流、空化叶道涡以及空化尾水管涡带等。在水轮机运行中，这些流动现象多数发生在偏离设计工况的偏工况下，会在相应的流场中诱发严重的压力脉动，压力脉动进而传播作用于水轮机机组本身，引起机组的振动和运行噪声，甚至诱发厂房振动。压力脉动是引起不稳定运行和振动噪声的主要来源。水轮机中三维流场造成的压力脉动来源于多个方面，如转轮进口处脱流，诱发的流场将往上下游两个方向传播，引起上游部件和下游部件的水力激振；而在转轮内部，叶道涡则是最大的不稳定源，叶道涡的发生也常常伴随着空化流动，此处引起的压力脉动将直接作用与转轮上，形成高频的振动；在下游部件，如尾水管内部，空化涡带将从泄水锥下方生成，形成螺旋运动，这些螺旋涡带将周期性地作用于锥管段及肘管段，造成下游部件的振动，并诱发噪声。实验表明，尾水管涡带的运行频率是低频振动，在不同流动工况下，引起的振动及噪声不同，但总体而言，尾水涡带运动是最低频的运动，因为对机组造成的影响也最严重。如岩滩水电站和李家峡水电站在机组运行半年与至两年的时间内，几台水轮机机组相继出现了转轮叶片与上冠间焊缝和叶片与下环间焊缝的开裂。经过对转轮裂纹原因的分析，发现主要是制造和运行方面的原因，运行时的剧烈压力脉动是造成裂纹的直接因素。在混流式水轮机中，尾水管涡带诱发的压力脉动是造成振动及噪声的最主要来源，目前已经有众多研究对尾水管涡带进行机理及演化进行分析，并提出了减小或消除尾水管涡带的措施，如改变尾水管中的水流运动状态、控制涡带的偏心距、引入适当阻尼或者改进转轮的水力设计，然而这些措施并不能有效的减弱压力脉动，反而有些会带来附加噪声。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法，解决水轮机组内部的非定常流动问题，尤其是尾水管内涡带及相应压力脉动问题。本专利技术的目的通过以下技术方案实现：一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法，步骤1、建立模型测试实验系统，设计不同的泄水锥打孔模型进行匹配加工，根据不同构型的泄水锥完善水力测试实验台，进行高速摄影测量，获取水轮机转轮内部及尾水管涡带的实验信息；步骤2、选取湍流模型，使用RANS模拟方法进行水轮机全流场三维非定常模拟，捕捉转轮叶片间叶道涡、尾水管涡带以及叶片进口边脱流空化现象，根据捕捉到的现象确定产生涡带初生的地方，在所述涡带初生的地方进行打孔；所述水轮机全流场三维模拟方法的计算包括几何建模、网格设置、数值方法、控制方程以及边界条件设置；步骤3、综合模型实验和数值模拟数据，对不同流量偏工况下的不同泄水锥打孔模型进行测试。进一步地，所述计算中的几何建模基于总体几何模型，所述几何模型包含蜗壳入口段、蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管以及肘管7个部分。进一步地，所述网格设置为对所述几何模型的各个部分进行网格划分，各个部件的网格在计算中使用interface进行连接。进一步地，所述数值方法采用CFD软件ANSYS进行计算，采用CFX求解器进行求解，所述CFX是基于有限元的有限体积离散方法，对六面体网格单元采用24点插值。进一步地，所述控制方程包括连续性方程和动量方程。进一步地，所述边界条件设置为：入口：以蜗壳入口延长段为入口，采用质量流量进口条件，同时设置参考压力、初始湍流强度参数；出口：以肘管出口为流动出口，采用压力出口条件；壁面：所有的固体壁面均采用无滑移边界条件，近壁区流动采用壁面函数进行模拟。进一步地，所述泄水锥打孔为打2孔的泄水锥，打2孔的泄水锥为沿着轴心，相对穿孔的构型。进一步地，所述泄水锥打孔为打4孔的泄水锥，沿着泄水锥的轴心相对穿孔成2孔的泄水锥，再在2孔的泄水锥的基础上，在相对靠下的位置垂直对穿2孔。附图说明图1是水力测试实验台示意图；图2是转速测量示意图；图3是压力脉动测点示意图；图4是模型转轮(A1293)实物图；图5是不同构型的泄水锥(a)原型0孔(b)打2孔(c)打4孔；图6是水轮机计算几何模型(a)原型泄水锥(b)打2孔泄水锥(c)打4孔泄水锥-0度视图(d)打4孔泄水锥-90度视图；图7是偏工况下尾水管压力分布俯视图(原型0孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；图8是偏工况下泄水锥表面压力分布(原型0孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；图9是偏工况下尾水管压力分布俯视图(打2孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；图10是偏工况下泄水锥表面压力分布(打2孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；图11是偏工况下尾水管压力分布俯视图(打4孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；图12是偏工况下泄水锥表面压力分布(打4孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)；图13是大流量工况下尾水管压力分布俯视图(原型0孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；图14是大流量工况下原型泄水锥尾水管涡带(原型0孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；图15是大流量工况下泄水锥表面压力分布(原型0孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；图16是大流量工况下尾水管压力分布俯视图(打2孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；图17是大流量工况下泄水锥表面压力分布(打2孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；图18是大流量工况下尾水管压力分布俯视图(打4孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；图19是大流量工况下泄水锥表面压力分布(打4孔，a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；图20是大流量工况下打孔泄水锥尾水管涡带(a＝28mm，σ＝0.277，n11＝83.2r/min)；图21是偏工况下尾水管压力脉动能量分布(原型0孔、打2孔、打4孔，a＝16mm，σ＝0.258，n11＝80.4r/min)。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法，步骤1、建立模型测试实验系统，设计不同的泄水锥打孔模型进行匹配加工，根据不同构型的泄水锥完善水力测试实验台，进行高速摄影测量，获取水轮机转轮内部及尾水管涡带的实验信息；步骤2、选取湍流模型，使用RANS模拟方法进行水轮机全流场三维非定常模拟，捕捉转轮叶片间叶道涡、尾水管涡带以及叶片进口边脱流空化现象，根据捕捉到的现象确定产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法，其特征在于：步骤1、建立模型测试实验系统，设计不同的泄水锥打孔模型进行匹配加工，根据不同构型的泄水锥完善水力测试实验台，进行高速摄影测量，获取水轮机转轮内部及尾水管涡带的实验信息；步骤2、选取湍流模型，使用RANS模拟方法进行水轮机全流场三维非定常模拟，捕捉转轮叶片间叶道涡、尾水管涡带以及叶片进口边脱流空化现象，根据捕捉到的现象确定产生涡带初生的地方，在所述涡带初生的地方进行打孔；所述水轮机全流场三维模拟方法的计算包括几何建模、网格设置、数值方法、控制方程以及边界条件设置；步骤3、综合模型实验和数值模拟数据，对不同流量偏工况下的不同泄水锥打孔模型进行测试。

【技术特征摘要】
1.一种基于水轮机全流场三维模拟方法的泄水锥打孔方法，其特征在于：步骤1、建立模型测试实验系统，设计不同的泄水锥打孔模型进行匹配加工，根据不同构型的泄水锥完善水力测试实验台，进行高速摄影测量，获取水轮机转轮内部及尾水管涡带的实验信息；步骤2、选取湍流模型，使用RANS模拟方法进行水轮机全流场三维非定常模拟，捕捉转轮叶片间叶道涡、尾水管涡带以及叶片进口边脱流空化现象，根据捕捉到的现象确定产生涡带初生的地方，在所述涡带初生的地方进行打孔；所述水轮机全流场三维模拟方法的计算包括几何建模、网格设置、数值方法、控制方程以及边界条件设置；步骤3、综合模型实验和数值模拟数据，对不同流量偏工况下的不同泄水锥打孔模型进行测试。2.根据权利要求1所述的打孔方法，其特征在于：所述计算中的几何建模基于总体几何模型，所述几何模型包含蜗壳入口段、蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮、尾水管以及肘管7个部分。3.根据权利要求2所述的打孔方法，其特征在于：所述网格设置为对所述几何模型的各个部分进行网格划分，各个部件...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小斌，李凤臣，赵越，刘登峰，赵昊阳，周增昊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23