水力機械空化數(shù)值計算與試驗研究.pdf

1、隨著國民經(jīng)濟的高速增長，水力機械行業(yè)也逐漸步入了黃金階段。一批批大型工程的不斷上馬，對水力機械各方面的性能也提出了更高的要求。其中效率、空化和穩(wěn)定性是三個最為傳統(tǒng)也是最為重要的性能指標。效率關系到對能量的利用，空化關系到機組的運行壽命，而穩(wěn)定性則關系到機組能否安全、正常地運行。實際上這三個性能指標并不是獨立的，其間聯(lián)系緊密。從水力機械的效率、穩(wěn)定性和空化性能這三個研究領域目前所發(fā)表的成果來看，空化領域的相關成果最少，其研究最為困難，所得

2、成果與實際需要之間的差距也最大。造成這個現(xiàn)象的原因，在于空化現(xiàn)象本身的復雜性以及測量的困難。雖然對空化發(fā)生的機理，影響空化發(fā)展的因素以及空蝕破壞的基本規(guī)律進行了大量的研究，也取得了相當多的進展，但這些研究成果基本是定性的分析或粗略的定量分析，在空化的準確定量分析方面，近半個世紀以來都沒有取得突破性的進展。隨著越來越多巨型機組的投產(chǎn)，轉輪相對強度的下降，空化問題已嚴重地影響著轉輪的使用壽命和機組運行穩(wěn)定性，其再一次引起人們的廣泛關注。

3、 一直以來，對水力機械空化問題的研究主要通過模型試驗進行，該方法受限于空化的比尺效應及試驗條件的限制，并不能準確地反應原型中空化的初生、發(fā)展及潰滅情況，存在著很大的局限性。本文采用了空化數(shù)值模擬、模型試驗、現(xiàn)場試驗等多種研究手段，對水力機械領域常見的研究對象（翼型、泵和水輪機）的空化問題做了詳細地研究，力求較全面地反應當前水力機械空化研究領域的熱點及前沿問題。這從目前已發(fā)表的國內(nèi)外研究來看尚屬首次。 論文首先對空化的基本理論

4、、空化數(shù)值模擬及空化現(xiàn)場監(jiān)測的現(xiàn)狀做了簡要地說明，詳細地論述了空化比尺效應問題。對空化數(shù)值模擬與模型試驗做了簡要地比較，并舉例說明了空化數(shù)值模擬在生產(chǎn)的應用。介紹了目前空化數(shù)值模擬中最為常用的兩個空化模型，空化界面自適應模型和VOF模型，并對其做了比較，指出采用VOF模型能更合理地模擬空化現(xiàn)象。 翼型繞流是水力機械流動方式的基礎。本文結合翼型標準數(shù)據(jù)及其試驗數(shù)據(jù)，對多種常見紊流模型在翼型空化計算上的效果做了詳細地比較。分析結果表

5、明SST模型在翼型的能量和空化數(shù)值計算上較目前其它常用的模型有著明顯的優(yōu)勢。該研究為今后水力機械空化數(shù)值模擬在紊流模型的選擇方面提供了參考。 水力機械設計過程中，初生空化余量的確定一直是個難點。通常的辦法是通過模型空化試驗求得臨界空化余量，在此基礎上在通過經(jīng)驗系數(shù)加以修正。實際運行表明在很多情況按該方法設定空化余量的水力機械設備空蝕情況非常嚴重。采用空化數(shù)值模擬可直觀地反映水力機械中空化的發(fā)生與發(fā)展情況，較準確地判斷空化的初生余

6、量。軸流泵的空化研究表明，雖然空化數(shù)值模擬所求得的空化臨界余量較試驗值低，但空化初生余量遠大于試驗所求得的空化初生余量。這一點在水力機械空化性能的合理判斷上尤為有用。 為了驗證非定常計算能否定量地分析軸流轉槳式機組的水力穩(wěn)定性問題，本文通過采用SST 紊流模型對同一水頭多工況下軸流轉槳式水輪機進行非定常數(shù)值模擬，并將計算所求得的尾水壓力脈動與現(xiàn)場實測結果進行比較，得出數(shù)值模擬可對水力機械的實際運行過程做定量的分析。 水力機

7、械空化研究中，間隙空化問題已經(jīng)越來越引起研究者的關注。為了避免在全流道中分析間隙空化問題所導致的網(wǎng)格數(shù)量急劇增加的問題，本文提出了一種間隙空化模擬的簡化方式，計算表明，該方式可以相對準確地模擬間隙處的空化情況。 水輪機現(xiàn)場空化監(jiān)測一直是水電廠急需解決的問題。作者在這方面做了一些初步的嘗試，采用所開發(fā)的空化聲振信號采集系統(tǒng)對水輪機現(xiàn)場空化信號進行采集，并對其做了分析。試驗結果表明，該系統(tǒng)能準確地采集到空化信號。通過分析該系統(tǒng)所采集