Page 106 - 水利学报2021年第52卷第6期

图 2 贯流式水轮机三维模型

轮体外壳间的间隙流动，注意了对近壁面等关键部位的 83.6
局部加密。同时对该水轮机在网格划分时进行无关性验
83.2
证，采用 4 种方案进行了网格划分，如图 3 所示，网格
数达到 610 万时，效率的相对差值在 0.1%以内。综合考 效率η/% 82.8
虑计算精度与节省计算资源，最终网格数为 610 万，图
82.4
4 为网格划分示意图。
3.2 湍流模型和边界条件 本文计算中采用了标准 k-ε 82.0
湍流模型，该湍流模型可以较为精确的模拟转轮、导叶 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0
风格单元数×10 6
区域的湍流流动状态，从而捕捉水轮机内部的流动特
图 3 网格无关性验证
性。在 N-S 方程求解过程中，采用有限体积法对控制方
程组进行离散，对流项采用高阶求解格式。贯流式水轮机所包括的部件中，除了转轮是高速旋转的
部件外，其余均为静止部件。在数值计算中，认为壁面是绝热无滑移壁面（no slip），采用近壁函数法
对湍流流动的近壁进行处理，同时采用冻结转子法（Frozen rotor）设置导叶与转轮和转轮与尾水管的交
界面。进口边界条件设置为压力进口（total pressure），进口处的压力根据水轮机的水头换算得出，出
口处的边界条件为自由出流（opening）相对压力设置为 0，计算精度为 10 。
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（a）水轮机整体网格划分 （b）导叶体网格划分 （c）转轮体网格划分
图 4 贯流式水轮机网格划分

4 鱼类运动轨迹及损伤概率研究方法

鱼体顺水流进入贯流式水轮机中的运轨迹受到水
轮机流道内流场的影响情况比较明显，因此，本文在 95 3m
贯流式水轮机流道内选取一条水流质点迹线作为鱼类 90 4m
5m
85
运动轨迹来进行相关研究。
80
本文参考第 2 节中压强阈值的试验测量结果，选
取相对压强小于-15 kPa 和负压强梯度大于 3 kPa/s作为 效率/% 75
70
鱼类不发生压强损伤的阈值。鱼体通过贯流式水轮机
65
转轮时受压强损伤概率的计算方法如下：P（A）即表示 60
鱼类遭遇贯流式水轮机转轮内压强损伤的概率，可根 55
50 100 150 200 250 300
据贯流式水轮机转轮内鱼类遭受低压损伤的区域体积
功率/kW
占转轮过流通道总体积的百分比进行计算，计算公式 图 5 贯流式水轮机各工况下的效率曲线
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