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2013PLM征文:灯泡贯流式水轮机压力脉动数值预测

2013/11/20    来源:e-works    作者:马彪  李正贵  杨虹  毛秀丽      
关键字:灯泡贯流式水轮机  压力脉动数值计算  
灯泡贯流式水轮机压力脉动是引起机组振动水力振动源之一,本文以某水电站的灯泡贯流式水轮机为基础建立三维几何模型,完成了从流道进口到尾水管出口全流道的瞬态计算,预测了导叶进口、转轮进口、转轮出口和尾水管内的压力脉动,得到压力脉动波形图,并利用FFT变换得到了压力脉动的频谱图,并做真机的压力脉动实验,相互对比,以此来分析灯泡贯流式水轮机压力脉动情况。

前言  

    压力脉动是灯泡贯流式水轮机最普遍的不稳定因素,流场的压力脉动周期性地作用在流道壁面和转轮上,引起结构和部件的振动,当压力为负压时,可能造成空化和空蚀,伴随强烈的噪音。因此采用CFD的方法预测原型水轮机压力脉动,对于水轮机稳定性研究有着重要的意义。

一、几何模型

    灯泡贯流式水轮机全流道模型如图1所示,该水轮机由进水流道、导叶、转轮、尾水管组成。水轮机主要参数如下:流道总长73.259m,转轮直径:7.2m,额定转速:68.18r/min,导叶个数:Zo=16,浆叶叶片数:Z=4。

全流道模型示意图

图1 全流道模型示意图

二、网格及数值计算方法

    针对计算区域结构复杂程度不同的特点,采用结构网格与非结构化结合的网格划分技术,即前流道与尾水管采用结构化网格,而导叶和转轮叶片处采用非结构化网格。在结构网格和非结构网格连接处自动生成动静耦合面。整个流道网格节点总数为884978个,单元总数为3289864个。计算基于不可压缩的连续方程和N-S方程,湍流计算采用标准k-ε模型。

    水轮机连续性方程:

水轮机连续性方程

    动量方程:

动量方程

    (2)式中,B为体积力总和; μeff为有效粘度; P'为修正压力。其表达式为:

公式

    (3)式中,μt是湍流黏度,k-ε模型假设湍流黏度与湍动能和湍动能耗散有关,

公式

    k、ε值直接从湍动能和湍动能耗散方程中求解,其方程为

方程

    (5)式和(6)式中,Cε1=1.44,Cε2=1.92, σk=1.0,ε=1.3。

    Pk是粘性力和浮力的湍流产物,方程为

方程

    采用贴体坐标系下的基于有限元的有限体积法对网格的控制方程进行时间离散,对控制方程中的原项和扩散项应用二阶中心格式,对控制方程中的对流项应用二阶迎风格式。本计算中,时间步长选为0.01s,总时间为10s。因水轮机的转速为68.18r/min,则每个时间步长内转轮部分的网格转动的角度为4.09°。求得每个时间步长上的湍流收敛解,则所有时刻的收敛解构成了流场的压力脉动。

责任编辑:程玥
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