Page 110 - 2022年第53卷第11期

图 １１ 负荷减小过程中轴向水推力随时间变化曲线

量之间关联程度越高。分析图 １２可知，除较低频率范围及导叶、叶片通过频率 ２８ｆ和 ３０ｆ附近，轴向
ｎ
ｎ
力相对于 ＤＴ６的相干性系数均高于 ＶＬ０２和 Ｐ４２。相干系数大意味着两个信号之间的关联程度高，因
此认为轴向力 Ｆ与尾水管中 ＤＴ６的压力脉动的相关度要显著高于无叶区和转轮内，表明尾水管内部非
ｚ
稳态压力波动向上游的传播是造成转轮轴向力波动的重要因素。

图 １２ 轴向力与测点 ＶＬ０２、Ｐ４２、ＤＴ６压力信号相关性

３．４ 尾水管内速度变化情况分析 螺旋形尾水管涡带的形成，与锥管段内的轴向速度及切向速度密切
相关 ［３９ － ４０］ 。图 １３和图 １４分别为瞬态过程尾水管 Ｌ１至 Ｌ３上的轴向和切向速度分布，图中轴向速度沿
ｚ轴正向为负，切向速度沿转轮转向为正，图中横坐标 ｒ?ｒ定义为一个无量纲距离比，为速度测量线
０
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３上坐标位置相对于该线段中间位置距离的比值。由于 ＮＴＮＵ未提供切向速度数据，因此
本文仅给出数值结果。为便于对不同工况的速度变量进行分析，本文将速度变化分为 ３个阶段，其中
ＢＥＰ工况为阶段Ⅰ，导叶开度变化过程 ＢＥＰ至 ＰＬ为阶段Ⅱ，ＰＬ工况为阶段Ⅲ。
图 １３结果显示，水平线 Ｌ１及 Ｌ２上数值预测的轴向速度与试验结果比较吻合，竖直线 Ｌ３上数值
与试验结果存在一定差异，但二者之间的变化趋势比较一致。第Ⅰ阶段，转轮出口水流接近法向出
流，轴向速度与主流方向相同，泄水锥下方 Ｌ１与 Ｌ２上的轴向速度高于尾水管锥管段壁面附近，而 Ｌ３
沿流向保持一致。导叶闭合的第Ⅱ阶段，Ｌ１与 Ｌ２上测得的轴向速度在 － ０．５＜ ｒ?ｒ＜０．５范围内显著降
０
低，且靠近转轴中心速度变化率更高，形成倒锥形低速区，Ｌ３经历了轴向速度由正向至反向的转变过
程。第Ⅲ阶段，锥管段内的低速区范围进一步发展，随后在 Ｌ１和 Ｌ２上演变为以转轴为中心线、正反
向流动交替出现的条状低速区，而 Ｌ３上不同测点的轴向速度在一定时间内发生变化，且这种变化在
ＰＬ工况下更显著。此外，在时刻 ３．５＜ｔ＜７．２内数值预测的轴向速度与试验测试结果也显示了一定的差
异，主要是由于数值模拟预测的涡带形成时间较试验结果晚的缘故，这也与尾水管内压力脉动信号结
果一致。
分析图 １４结果可知，Ｌ１与 Ｌ２上的切向速度变化比较一致，在第Ⅰ阶段均与转轮转向一致，且转
轴中心处绝对值较小。第Ⅱ阶段，转轴中心附近发生切向速度的反转，且随时间推移反向切向速度范
围逐渐扩大。第Ⅲ阶段，转轴中心附近的正向切向速度区随导叶的闭合逐渐增加，而在这个正向速度
区外侧，均显示为反向切向速度。之后，切向速度也表现以转轴为中心线，正向和负向交替出现的切
向速度区。竖直线 Ｌ３上的切向速度在第 Ｉ和第Ⅱ阶段变化较小，而在第Ⅲ阶段后期切向速度出现方向
的交替变化，且靠近转轮中心测点经历更多的切向速度方向变化。

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