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水 利 学 报

２０２３年 ９月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ９期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０９ － １１３３ － ０８

空化对振动水翼附加质量和阻尼特性影响研究

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曾永顺 ，齐 鑫 ，姚志峰 １，３ ，王福军 １，３
（１．中国农业大学 水利与土木工程学院，北京 １０００８３；２．北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 １００１７６；
３．北京市供水管网系统安全与节能工程技术研究中心，北京 １０００８３）

摘要：抽水蓄能机组需频繁调节工况以适应电网需求。由此水力激振频率范围加宽，共振风险增加。附加质量和
阻尼特性是评估共振工况点和共振幅值的关键参数。在空化发生时，叶片绕流流体从液相变成汽相，其复杂的流
固耦合效应对叶片附加质量和阻尼特性产生影响。本文将叶片简化为 ＮＡＣＡ０００９水翼，探索了空化发生时基于双
向流固耦合的附加质量和水力阻尼特性预测方法。结果表明，模拟得到的静水中固有频率和不同空化数下的空化
脱落频率与实验结果吻合良好，相对误差分别在 ７．１２％和 ８．７６％以内。在空化数 σ ＝ １．０４～２．０２范围内，固有频率
和水力阻尼随空化数的降低分别增大和减小，相对于实验的平均误差分别为 ９．６９％和 １３．６５％。内部流动分析表明
反向射流导致前缘空化周期性脱落，吸力面的绕流速度下降则是空化发生后水力阻尼下降的主要原因。研究成果
对抽水蓄能机组设计阶段预判空化时的叶片振动评估具有重要指导意义。
关键词：水翼；空化；双向流固耦合；固有频率；水力阻尼
文献标识码：Ａ
中图分类号：ＴＶ１３６ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３００６７

１ 研究背景

现代抽水蓄能机组的能源转化效率可达到 ９０％以上，在新能源并入电网、调峰填谷和调频调相等
方面有重要作用 ［１］ 。根据国家能源局发布的抽水蓄能中长期发展规划，我国抽水蓄能机组的投产总规
模将从 ２０２１年的 ３２４９万千瓦提高到 ２０３０年的 １．２亿千瓦。为满足未来电力系统需求，抽水蓄能机组
有向大流量和高扬程发展的趋势，但存在流激振动引起的稳定性问题。如机组需频繁转换工况，此时
水力激振的频率范围加宽，叶片结构存在共振风险 ［２］ 。特别是大流量工况，空化可能引起额外激振，
加大结构振动水平的评估难度 ［３］ 。
叶片结构的固有频率和水力阻尼分别是评估共振工况点和共振幅值的关键参数 ［４ － ５］ 。基于模态分
析方法，可在非空化工况预测水翼和叶轮等结构的固有频率，相对于实验结果的误差在 １０％以内 ［６ － ７］ 。
空化发生后，Ｔｏｒｒｅ等 ［８］ 和曾永顺 ［９］ 基于实验观测到水翼固有频率随空化数的降低逐渐增大。但传统
模态分析方法在理论上将流动方程简化为声波方程，难以模拟局部压强降低引发的空化现象，导致空
化时的结构固有频率预测存在困难。对于水力阻尼，已发表文献表明流动环境对其影响显著。如水翼
在高流速下，水力阻尼随流速线性增长 ［１０ － １４］ ，但其随叶顶间隙和攻角的增大而逐渐减小 ［１５ － １６］ 。在空
化时，曾永顺 ［９］ 基于实验得到水翼低阶模态的水力阻尼随空化数降低而减小的规律，但目前缺乏数值
模拟工作对其内部机理进行揭示。
水力阻尼数值计算方法包括非定常涡格法、能量法和双向流固耦合法等 ［４，１７ － １９］ 。非定常涡格法基

收稿日期：２０２３ － ０２ － １２；网络首发日期：２０２３ － ０７ － ２６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ２?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０７２５．１１３１．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５２１７９０９２）
作者简介：曾永顺（ １９９３ － ），博士生，主要从事水力机械流固耦合研究。Ｅ － ｍａｉｌ：１５６５２９３６３１２＠１６３．ｃｏｍ
通信作者：姚志峰（１９８４ － ），副教授，主要从事水力机械流动理论、泵站水动力学研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙｚｆ＠ｃａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
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