Page 113 - 2022年第53卷第11期

水管内的轴向速度逐渐降低，诱发不稳定的流动偏移及形成回流区。可视化涡结构首先显示为强度较
低的轴对称结构，随后涡强度沿轴向及径向均显著增强，最后沿轴向迅速收缩而沿径向强度增加，而
在负荷变化的整个过程中涡形态均显示为对称结构。

图 １７ 阶段Ⅲ尾水管轴向速度及涡结构
第Ⅲ阶段，水轮机运行在定导叶开度 ＰＬ工况下。ｔ ＝ ３．７ｓ，尾水管内的轴向速度分布与 ｔ ＝ ３．５ｓ时
刻比较接近，但转轴中心区域的回流强度提高且轴对称涡结构沿轴向收缩。ｔ ＝ ５．５ｓ 时，尾水管锥管
段及弯肘段的低速区范围显著增加，对应地，尾水管内的流动偏移区域与回流区域范围被扩大，且在
转轴中心左侧形成两个明显的漩涡。然而，相对于 ｔ ＝ ３．７ｓ ，该时刻的自由涡强度被显著抑制，仅仅残
留附着在泄水锥表面的部分涡结构。ｔ ＝ ７．０ｓ，尾水管锥管段低速区内出现了多个漩涡区，涡结构强度
较上一时刻显示了较大的差别，该时刻的涡强度有所增强，但涡形态演化为双螺旋状偏心结构。ｔ ＝
８．５ｓ ，锥管段流态紊乱程度加剧，转轴中心的低速区不再关于尾水管中心线对称，其在尾水管内显示
为 “ Ｓ” 状，且靠近壁面的低速区处出现明显的漩涡结构，对水流形成一定的挤压作用而使壁面附近
的速度提高。Ｑ准则显示的涡形态为强度较高、单一的螺旋状偏心涡结构，为典型的部分负荷尾水管
涡带，ｔ ＝ ８．５ｓ 之后，该螺旋状偏心涡带做与转轮转向相同的旋转运动且其形态保持固定。综合以上
分析可知，ＰＬ工况下，尾水管内的回流范围显著增加，涡形态首先为轴对称形，然后沿轴向剧烈收
缩，随后单一的柱状涡结构演化为强度升高的双螺旋状涡结构，最终该双螺旋状涡结构合并为单一的
螺旋状偏心涡带并保持其形态。

４ 结论

本文采用基于多面体网格的动网格技术对 Ｆｒａｎｃｉｓ９９高水头混流式模型水轮机负荷减小过渡过程进
行了数值计算，分析了负荷变化对水轮机外特性参数、不同位置压力脉动及尾水管内涡流结构的影
响，主要结论如下：
（ １）基于多面体网格技术和进出口压力边界条件的水轮机瞬态数值研究，能够较可靠地模拟负荷
变化过程中水轮机水头、流量的变化规律。负荷变化过程中，无叶区压力信号变化趋势与导叶闭合规
律一致。导叶闭合及停止运动的瞬间对尾水管压力信号有较大的扰动作用。导叶停止运动进入部分负

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