Page 97 - 2024年第55卷第3期

Ｓ特性的重要原因。Ｓｔｅｐａｎｉｋ等 ［１０］ 观测到水泵水轮机零流量工况点，转轮流道内有明显的漩涡。Ｚｈａｎｇ
等 ［１１］ 对于水泵水轮机 Ｓ特性飞逸工况进行了动态分析，指出外特性曲线在飞逸工况附近的斜率对 Ｓ特
性有很大的影响。夏林生等 ［１２］ 认为转轮进口的漩涡结构在某些工况会发生突变，阻塞流道，导致空载
不稳定。Ｊａｃｑｕｅｎｔ等 ［１３］ 研究了在给定开度下从最优工况点一直到空载运行工况点的流动行为的演变过
程，水泵水轮机 Ｓ特性的形成和活动导叶与转轮间无叶区的回流密切相关。由叶片流道内流动分离诱
发的回流现象会随着水泵水轮机过流量的减少，而在涡尺度与强度方面剧烈增强，加剧振动 ［１４］ 。
为了降低 Ｓ特性对机组的影响，Ｘｉａｏ等 ［１５］ 得出非同步导叶可以有效地减小水轮机静态部件的压
力脉动幅值，但却增大了转轮内的脉动幅值。Ｘｉａｏ等 ［１６］ 发现布置非同步导叶的方式可以改善机组开
机时的 Ｓ特性，但是会导致导叶的压力脉动增加 ［１７］ 。Ｈｕ等 ［１８］ 提出了一种水泵水轮机优化设计方法，
认为叶片上冠 前 加 载 和 下 环 后 加 载，能 够 显 著 提 高 在 深 部 分 负 荷 下 运 行 的 转 轮 的 效 率 和 稳 定 性。
Ｚｈａｎｇ等 ［１９］ 提出了一种转轮叶片尾缘参数控制方法，将遗传算法与模糊逻辑相结合作为优化策略，经
过优化迭代，机组效率略有提高，尾水管内的相对压力脉动强度显著降低，特别是在导叶开度较小的
情况下。Ａｎ等 ［２０］ 分析了空化状态下的水泵水轮机，发现稳定的附着空化能够包裹叶片，降低叶片的
摩擦力，从而降低壁面熵产。Ｓａｎｏ等 ［２１］ 提出一种新型的泄水锥结构，能够有效地改变转轮出口流面
的速度分布，减弱了死水区与主流间的剪切应力，有效降低了尾水管流道内的压力脉动。
虽然国内外学者对于水泵水轮机 Ｓ特性做了很多研究，但是对于其形成机理还没有统一的解释，
Ｓ特性区内不稳定流动与能量损失的联系尚不明确，因此本文首先进行了不同开度下 Ｓ特性试验，并
对比了最优开度下数值模拟结果与实验值。其次，分析了不同工况下熵产损失的特性，明确了不同部
件对熵产的贡献比例。最后，分析了双列叶栅、转轮和尾水管内的熵产率和流场分布，阐明了熵产损
失与内部流动结构的关系。

２ 计算模型和数值方法

２．１ 计算模型 本文以某模型水泵水轮机为研究对象，主要过流部件包括蜗壳、固定导叶、活动导
叶、转轮和尾水管 ５部分，如图 ２所示，活动和固定导叶数均为 ２０个，叶片数为 ９个，水轮机工况转
轮进口和出口直径分别为 ４６８ｍｍ和 ３００ｍｍ，导叶高度 ６６．５ｍｍ。

图 ２ 水泵水轮机三维几何模型

２．２ 网格划分及无关性验证 网格划分采用 ＡＹＳＹＳＩＣＥＭ软件，各个部件均使用六面体网格，网格无
关性验证选用网格收敛指数 ＧＣＩ方法。在设计流量下选取转轮扭矩和机组水头作为关键变量，通过文
献［２２ － ２３］的公式计算出网格收敛指数。由表 １所示可知，３种密度的网格以渐进形式收敛，说明当
网格加密时，有利于增加流场的求解精度。计算得到扭矩的 ＧＣＩ分别为 ０．１９％和 ０．５３％；水头的 ＧＣＩ
分别为 １．３２％和 １．９４％。通过上述分析，综合考虑计算效率和精度，选取网格数为 １１２１万进行后续计
算研究，蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管的网格数分别为 ７１万、２２５万、３０３万、３６０万
和 １６２万。水泵水轮机各部件网格如图 ３所示。

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