Page 37 - 2023年第54卷第7期

机内部流动进行试验研究，发现飞逸工况时转轮内压力脉动强度最高。夏林生等 ［１１］ 开展了贯流式水轮
机飞逸过程的研究工作，发现尾水管内出现涡带 “截断” 现象，且该涡带诱发了低频高振幅的压力脉
动。Ｓｕ等 ［１２］ 发现在飞逸过程中，动静干涉作用诱导转轮内出现高幅值的压力脉动，与此同时在转轮
内也伴随着流动分离现象。Ｚｈａｎｇ等 ［１３ － １４］ 发现飞逸过程中由于无叶区的涡漩结构导致转轮叶片测点的
压力脉动现象为低频高振幅，苟东明等 ［１５］ 发现尾水管涡带是诱发水轮机内部出现低频压力脉动的主要
原因。陈秋华等 ［１６］ 发现由于瞬时流场演化存在迟滞效应导致水泵水轮机压力脉动和转轮径向水推力幅
值突增。黄剑锋等 ［１７］ 利用大涡模拟对水轮机导叶关闭过渡过程分析，发现导叶尾部的卡门涡列诱发了
机组的振动，周大庆等 ［１８ － １９］ 认为尾水管内的不稳定流动是诱发机组振动的主要原因。张成华等 ［２０］ 基
于一?三维耦合算法，对某水泵水轮机模型断电飞逸过程进行了数值计算，发现在驼峰区和 “Ｓ” 区时
转轮内压力脉动幅值最高。Ｚｈａｎｇ等 ［１３］ 的研究发现在过渡过程中转轮内出现了流动分离，并且由于无
叶区的涡漩结构导致转轮叶片测点的压力脉动频率为低频高振幅。Ｓｕｎ等 ［２１］ 基于结构化重叠网格对混
流式模型水轮机甩负荷过程进行研究发现，随着导叶的关闭，尾水管内的涡漩结构逐渐增多。Ｙａｎｇ
等 ［１４］ 认为转轮内不均匀的流动导致了涡漩结构的产生。张晨滢等 ［２２］ 基于 ＣＦＸ二次开发研究了管道泵
做透平时飞逸过程的内流特性，发现涡漩主要发生在转轮叶片压力面及尾缘处。Ｓｕｎ等 ［２３ － ２４］ 发现混流
式水轮机内产生的叶道空化涡体积脉动为低频周期性振荡，并诱发了转轮内的高幅值压力脉动。许
哲、Ｆｅｎｇ等 ［２５ － ２６］ 基于熵产理论对泵装置断电飞逸过渡过程研究发现涡核的聚集与涡漩的演变引起流
场产生明显的能量损失，且叶轮内的总熵产远高于蜗壳、导叶和尾水管等其他过流部件。Ｋａｎ等 ［２７］ 认
为维持涡漩结构 所 需 的 能 量 在 无 叶 区 和 转 轮 内 的 输 运 是 导 致 转 轮 内 出 现 流 动 分 离 的 原 因，而 Ｇｕｏ
等 ［２８］ 发现转轮流道内出现的大尺度涡漩结构是飞逸过程中能量损失最重要的原因。
综上，飞逸过程出现的流动分离、涡漩等不良流动显著增加了水轮机内的能量损失，并诱发高振
幅的压力脉动及振动。为进一步明确飞逸过程中不稳定流动诱发高幅值压力脉动及流动分离引起能量
耗散的形式及位置，本文选取某典型水头段混流式水轮机为计算模型，开展水轮机飞逸过渡过程中水
轮机内流场、涡漩结构及压力脉动演化特性的研究，并进一步基于能量平衡方程，定量分析水轮机内
流场湍动能生成项、黏性耗散项等物理量对能量耗散的贡献度。

２ 计算模型

本文以某模型水轮机为研究对象开展飞逸过程的试验和数值仿真，其三维几何图及模型测试试验
台如图 １所示。过流部件包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管，其中，转轮叶片数和固定
导叶数均为 １３，活动导叶数为 ２４，比转速为 １６０．９ｒ?ｍｉｎ。水轮机模型与原型转轮直径分别为 ０．３７ｍ
和 ５．８ｍ，二者之间的比尺为 １∶１５．７，模型水轮机试验水头为 ２５ｍ，原型水轮机额定水头为 ７６．２ｍ，
３
单位转速和单位流量分别为 ７１．２２ｒ?ｍｉｎ和 ０．４７４ｍ ?ｓ。试验台使用开式系统进行操作，以获得与原型
相似的条件。在测量期间可用水头均保持在试验水头下，活动导叶连接到发电机的频率控制器，在试
验中保持导叶位置不变的同时增加转轮角速度，直到扭矩为零。由于水轮机在部分负荷易诱发复杂流
动分离及涡漩结构，运行稳定性问题更加突出，因而本文以设计水头下活动导叶开度 １４°（额定出力的
４２％）对应工况为初值开展飞逸过程研究。
ｎ＝ ３ ．６５ｎ Ｑ η （１）
槡
１１
１１
ｓ
ｎＤ
ｎ ＝ （２）
１１
槡 Ｈ
Ｑ
Ｑ ＝ （３）
１１
２
Ｄ Ｈ
槡
３
式中：ｎ 为比转速，ｒ?ｍｉｎ；ｎ为转轮旋转速度，ｒ?ｍｉｎ；ｎ 为单位转速，ｒ?ｍｉｎ；Ｑ 为单位流量，ｍ ?ｓ；
ｓ １１ １１
３
η为水力效率，％；Ｑ为流量，ｍ ?ｓ；Ｈ为水头，ｍ；Ｄ为转轮出口直径，ｍ。
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