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研究等手段，开展了大量的水轮机内流研究，主要包含设计优化与运行稳定性能两个方面 ［１１ － １３］ 。例
如，动静干涉研究得到瞬态工况小流量时无叶区存在旋涡现象，其引发压力脉动成倍增大 ［１４ － １５］ ，同样
小流量工况间隙流研究发现尾水管进口空腔涡带随下环间隙增加而增大，径向间隙增加时转轮所受水
体阻尼作用减弱且固有频率增加 ［１６ － １７］ 。偏设计工况运行均会引起水轮机叶片的交变应力变化幅值增
大，主要是叶间流道旋涡作用，尤其是导叶与叶片尾流卡门涡振动极易诱发结构振动 ［１８ － １９］ 。瞬态工况
研究涉及增减负荷、甩负荷、飞逸、启停机等工况 ［２０ － ２２］ ，为此，有必要对水轮机发电转空载工况下流
场与结构场关联特性进行深入的探讨。
发电转空载工况在承担调荷运行的水电站经历次数逐渐提升，活动导叶频繁运动使其难以完全关
闭，长期经历高频流态冲击易造成叶片变形等。因此，本文针对转轮流固耦合关联特性问题，以发电
转空载工况为研究主线，从压力脉动、涡流黏度、湍动能分布等角度探讨内流演变，从等效应力与变
形量两方面解析结构模态，最终建立二者关联机制为水轮机的设计与运行提供参考指导。

２ 研究对象与计算方法

２．１ 混流式水轮机模型及其网格划分 如图 １所示水轮机由 １４个嵌入式固定导叶的蜗壳、２８个活动
导叶、带长短叶片各 １５个的转轮以及 １个弯肘型尾水管组成，该模型与原型比尺为 １∶５．１。转轮叶片
中黄色 Ｒ１—Ｒ１２为压力监测点，红色 Ｂ１—Ｂ１１为结构场监测点。ＩＣＥＭ 划分流场结构化网格，并选用
５７６万、７００万、８７０万、９６０万、１１００万 ５套网格方案完成网格无关性验证，综合考虑耗算量与计算精
度，最终选用网格总数约为 ９６０万的方案（蜗壳及导水机构 ３７８．５万、转轮 ５４６．８万、尾水管 ３４．８万） ［２３］ 。
Ｍｅｓｈｉｎｇ模块划分结构场转轮实体非结构化网格，网格总数约为 １８８．８万。

图 １ 混流式水轮机几何模型、网格及叶片监测点

如图 ２（ａ）所示为 ＮＴＮＵ开式试验台 ［２４ － ２６ ］ ，用于测量水轮机性能，试验与数模结果对比如图 ２（ｂ）
所示。由于壁面无滑移设置忽略了摩擦损失，数值模拟未考虑机组的容积损失与机械损失，因此数模
效率与转矩均高于试验结果。其中，效率最大差值在 ０．３５Ｑ 时为 ７．９５％，转矩最大差值在 Ｑ 时为
ＢＥＰ ＢＥＰ
８８．８９Ｎ·ｍ，Ｑ 为最优工况时流量。
ＢＥＰ
２．２ 数值模拟方法 通过 ＡＮＳＹＳＦｌｕｅｎｔ软件仿真发电转空载工况，由于 ＳＳＴｋ － ω湍流模型能够较为
准确地捕捉瞬变流中流动分离、回流等现象 ［２７ － ２８］ ，因而本文采用 ＳＳＴｋ － ω湍流模型求解水轮机内流。
水轮机进、出口分别设置总压与静压，由图 ３（ａ）所示。先前研究所得网格壁面滑移技术 ［２９］ 用于实现
导叶贴合实况的持续性运动，图 ３（ｂ）为导叶关闭规律。壁面设置为无滑移边界条件，压力速度耦合
方式采用 ＳＩＭＰＬＥＣ算法，对流项离散格式为二阶迎风格式，时间步长 Δ ｔ ＝ ０．００１ｓ （ Δ ｔ ＝ Δ ｊ?（６ｎ），ｎ为
－ ６
转速），对应转轮旋转 Δ ｊ ＝ ２° ，收敛残差精度为 １０ 。如图 ３（ｃ）所示，为减少时间步长选择对计算结果
的影响，以最优工况下监测点 Ｒ８平均压力与最大脉动幅值为纵坐标，分别观察平均压力与最大脉动幅值的
变化趋势，在 Δ ｔ＜０．００１ｓ时逐步趋于稳定，综合考虑计算工作量，本文时间步长 Δ ｔ取 ０．００１ｓ。

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