Page 92 - 2024年第55卷第11期

图 ２ 混流式水轮机试验系统 ［２４ － ２６］ 及试验与数模结果对比

结构场设置：采用流固耦合方法求解结构场，系统的质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵分别控制对
应节点加速矢量、速度矢量与位移矢量，以获得外界激励载荷 ［３０ － ３１］ 。转轮与主轴采用螺栓连接，主轴
表面设置固定约束，以限制主轴在 ｘ、ｙ、ｚ方向的位移。重力与离心力作用于运行转轮，分别施加重
２
力加速度 ９．８１ｍ?ｓ和转速 ３３２．８ｒ?ｍｉｎ。通过建立流场与结构场交界面上节点的映射关系，实现瞬态压
力载荷加载至结构场叶片表面。

图 ３ 发电转空载工况导叶关闭规律、进出口边界条件及时间步长无关性验证

３ 结果分析

３．１ 流场特性分析 图 ４是数模与试验所得发电转空载工况水轮机工作水头 Ｈ变化，初始时最优工况
下水头基本为恒值，波动范围是由于传感器采样频率小于数模时间步长导致。导叶在 ｔ ＝ １ｓ开始关闭，
水头快速上升，至 ｔ ＝ ８ｓ 导叶停止运动，数模与试验水头均达到最大（Ｈ ＝ １２．８６ｍ ，Ｈ ＝ １３．２６ｍ ），
试
数
二者误差＜５％。在空载工况的 ８～１０ｓ，水头持续降低，主要原因是导叶恒定在 ０．８°，因导叶关闭主导
的喉部水流速度增加现象、导叶前水流积压现象均消失。此外，图 ４（ｂ）为无叶区监测点 ＶＬ压力脉动
数模与试验值，二者变化趋势一致，数模结果与试验最大相差约 ５．６％。
由图 ５可见，Ｑ 工况流态良好，流速因流道结构逐步变窄而增加，Ｑ 工况的转轮进口绝对速
ＢＥＰ
ＢＥＰ
度角 β ０ ≈２６°等于叶片安放角，进口无撞击。导叶运动使得叶片进口绝对速度角持续减小，来流撞击
叶片在转轮进口出现小涡旋，其阻挡来流使得进口处出现流动分离现象，旋涡采用 λ ２准则计算，阈
３
－ １
值为 ０．２ｓ 。０．７Ｑ （进口绝对速度角 β≈１６°）时，涡体积≈０．０００６４ｍ ，其约占转轮流道体积的 ２．２８％，
ＢＥＰ
该现象随着流量的进一步减小而逐渐向中间流道延伸，流量持续减小使得进口处小旋涡逐渐发展为马
３
蹄涡。在 ０．４Ｑ （ β≈８°，涡体积≈０．０３ｍ ，约占转轮流道体积的 １０．７１％）时基本堵塞了流道。最终
ＢＥＰ
在 ０．１Ｑ 时转轮内由于流量过小，其涡体积减小为转轮流道体积的 ６．０７％，无叶区高速水环分割了导
ＢＥＰ
叶与转轮两个区域，基本无来流过流。虽然转轮转速恒定，但无叶区水流周向速度先增加后减小，主
要原因是导叶关闭时过流面积减小，流速增大，随着导叶关闭，流量减小至难以填充空间，流速降
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