Page 94 - 2024年第55卷第11期

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初始时刻，高湍动能区域位于 １?４短叶片进口背压区（ＴＫＥ ＝ ０．６ｍ ?ｓ），且其范围与值明显高
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于长叶片进口背压区。０．７Ｑ 后长短叶片背压区及其他区间湍动能分布基本一致，在 ０．６Ｑ 后短叶
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片及对应流道长度的长叶片背压区均对应高湍动能（ ＴＫＥ ＝ ０．１～０．３ｍ ?ｓ），见于图 ６中该区域全面覆
盖旋涡。在 ０．４Ｑ 后，转轮出口湍动能急速增大，主要是由回流引起，且来流与回流相互作用，在转
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轮出口自形成与转轮主轴呈 ｘ向的旋涡（图 ７（ｃ）），该现象向转轮入口发展使得原顺时针低速旋涡转
向。此外，在 ０．４Ｑ 后短叶片流道范围内湍动能急剧下降，在 ０．１Ｑ 时接近于 ０，主要原因是无叶区
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高速水环阻止了转轮入流，该区域仅存在残留。图 ７（ａ）—（ｃ）显示 ｔ ＝ ７ｓ（０．２Ｑ ）后，转轮出口叶片
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压力面涡核逐渐扩展，最终占据整体出口流道。
转轮内监测点压力脉动如图 ７所示，ｔ ＝ １ｓ前压力基本不变，导叶开始关闭后：流道内各监测点
（Ｒ１—Ｒ１０）压力呈现下降趋势直至导叶停止运动（ｔ ＝ ８ｓ ），压力脉动幅值亦随流量减小而缩小，尤其
体现在靠近转轮进口区域。各监测点压力从进口至出口逐渐减小（Ｒ１降幅约为 Ｒ１２的 １４倍），一方面
原因是过流面积减小使得流速增大，另一方面是能量转换用于转轮旋转做功。越靠近转轮出口，各监
测点的起始压差越小，流量变化对出口压力影响较小。在约 ｔ ＝ ５ｓ （０．６２Ｑ ）时，靠近转轮进口的周向
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叶间流道有充足的马蹄涡，使得 Ｒ１、Ｒ２与 Ｒ３压力下降速率明显降低，后续监测点压力变化速率基
本不受涡旋影响。
由于旋涡涡核向下游移动，图 ７中 Ｒ１１与 Ｒ１２压力先分别增加至 ９９．３３ｋＰａ（ｔ ＝ ６．６ｓ ）、９７ｋＰａ（ｔ ＝
６ｓ ）。Ｒ１２在 ｔ ＝ ６ｓ 后与 Ｒ１１在 ｔ ＝ ６．６ｓ 出现下降，主要是因涡核破裂产生的冲击波造成。Ｒ１１对应后
时刻涡核体积较大，且大体积涡核距离 Ｒ１１更近，从而使得 Ｒ１１出现一个下降波。ｔ ＝ ８ｓ 后活动导叶
静止，所有监测点压力均有小幅回升，主要是原聚集在导叶前段的水流缓入转轮导致，同时对应活动
导叶压力降低，其中蜗壳压力降低引起水头减小见图 ４（ａ）。

图 ７ 转轮压力脉动时域特性

如图 ８所示为流道四分段监测点压力频谱，其中转频 ｆ＝ ５．５４７Ｈｚ。流道内分别监测到主频 ２８ｆ
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（活动导叶通频）、３０ｆ（转轮叶片通频）、５６ｆ（活动导叶倍频）、６０ｆ（转轮叶片倍频）等特征频率，说
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明导叶数与叶片数对应流态振频作用明显，且上述振频幅值随着流量减小而减小，上述四个频率的幅
值沿着流向而减小。２８ｆ和 ３０ｆ的幅值最高，５６ｆ和 ６０ｆ的幅值次之，说明导叶与叶片通过频率对水流
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的影响要比其倍频更显著。６４ｆ与 ６８ｆ主要因旋涡作用引起，且脉动幅值沿流线与时间推移（ｔ＜８ｓ）均
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递减，而在 ８～１０ｓ的空载工况下各频率脉动幅值基本不变。振幅在（ － ４８．４ｄＢ ，－ １７．８ｄＢ ）区间的脉动
现象属于主相流动，基本无脉动现象。结合图 ５和图 ８可知，０．１Ｑ 时低频脉动出现在靠近转轮出口
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侧，主要原因一方面是流量减小使其波动强度减弱，另一方面是动静干涉作用因距离无叶区越远而
越弱。
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