Page 108 - 2022年第53卷第11期

３ 结果与讨论

３．１ 外特性分析 为验证本文所采用数值策略的可靠性，图 ９显示了数值模拟与试验测试获得的水轮
机外特性水头 Ｈ和流量 Ｑ的对比结果。

图 ９ 负荷减小过程水轮机水头与流量变化

图 ９结果显示，数值预测的水轮机水头与试验测试趋势平均值一致性较高。负荷减小过程中，水
头在 ＢＥＰ工况下保持恒定，导叶闭合后，水头快速上升。ｔ ＝ ３．５ｓ导叶停止闭合，水轮机开始运行在
ＰＬ工况，此时水头继续上升，在 ｔ ＝ ４．２ｓ 达到最高值，随后缓慢下降。水头变化结果表明，导叶的闭
合对水轮机水头有一定的提升，且导叶停止运动后这种影响仍会在一定时间内持续。数值预测的流量
与试验测试结果之间存在一定差异，数值结果显示为与导叶开度变化规律一致的线性变化，而试验值
则为非线性变化规律，且导叶闭合过程 ｔ ＝ １．０ｓ至 ｔ ＝ ３．５ｓ时段内，试验记录的流量值变化率小于数值
结果。造成试验与数值之间差异的主要原因在于试验测试的流量计存在一定的时间延迟 ［２７］ 。尽管数值
解与试验测试存在一定差异，但可通过对比负荷减小过程中定导叶开度 ＢＥＰ阶段、ＰＬ阶段流量值与
对应稳态试验测试结果之间的差异来量化本文数值流量结果的可信度。负荷减小过程中，ＢＥＰ与 ＰＬ工
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３
３
况数值计算获得的流量分别为 ０．１９３２４ｍ ?ｓ和 ０．１３６２７ｍ ?ｓ，对应稳态试验条件流量分别为 ０．１９９５９ｍ ?ｓ
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和 ０．１３９６２ｍ ?ｓ，仅仅相差 ３．２％和 ２．４％，表明数值计算的流量准确性较高。此外，水轮机流量调节
是通过改变活动导叶开度实现的，流量变化趋势与导叶开度密切相关，本文中数值模拟与试验测试均
显示了随导叶闭合流量逐渐减小的变化趋势，因此可认为本文数值计算的流量变化规律具有较高的可
信度。综上所述，采用本文数值计算的模拟策略，能较好地反映负荷减小过程中水轮机外特性参数的
动态响应。
３．２ 压力脉动分析 为进一步分析负荷减小过程中水轮机内部压力脉动特性，图 １０显示了无叶区和
尾水管内 ＶＬ０２、ＤＴ５与 ＤＴ６的压力脉动系数 Ｃ，其中 Ｃ为按照式（７）计算的无量纲数，
ｐ ｐ
ｐ
ｐ － 珋
Ｃ ＝ （７）
ｐ
ρ ｇＨ
ｐ为压力信号平均值，Ｐａ；Ｈ为最优工况下的水头，ｍ；ρ 为液体密度，ｋｇ?ｍ；
式中：ｐ为瞬时压力，Ｐａ；珋 ３
２
ｇ为重力加速度，ｍ?ｓ。
分析图 １０结果可知，数值模拟获得的无叶区压力脉动变化规律与试验测试结果吻合地较好，压
力系数在定导叶开度 ＢＥＰ及 ＰＬ工况下显示为均匀波动，而随着导叶的闭合压力系数线性减小。幅值
方面，压力系数数值结果相对于试验值偏低，这与试验测试过程中的机械振动、电磁振荡以及数值模

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