本文是一篇给排水工程论文，本文以某水电站型号为 HLX180-LJ-145 的混流式水轮机为研究对象，分别在清水和含沙水介质中，小流量工况和设计工况点，对原始转轮水轮机和不同高度、不同长度的带襟翼转轮水轮机进行定常计算，通过对比水轮机效率和输出功率、转轮叶片吸力面空泡体积分数、水流流线、水流速度矢量图以及泥沙流速矢量图分析襟翼对能量特性和空化性能的影响。在清水中对原始转轮和高度为 10mm、长度为 80mm 的带襟翼转轮水轮机进行非定常计算，对工作周期内叶片吸力面空泡变化进行分析。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
水电在能源发展中的作用日益明显，装机容量不断增加，水力发电效益提高[1]。，近年来，国家更加注重可持续发展和生态环境问题，而水力发电也因其低成本、少污染、易于运行等优点得到关注，但在水力机械快速发展的同时，对水力机械的要求也在不断地提高。
空化现象是水力机械运行过程中常见的问题之一，如图 1-1 所示，空化会导致过流部件材料表面遭到破坏，水轮机效率降低，造成经济损失，严重时甚至会威胁机组的安全稳定运行。从图中可以看出，转轮叶片上存在许多泥沙，这主要时由于在实际运行过程中许多水域中都含有泥沙颗粒。河流中的泥沙颗粒会对水轮机产生磨损破坏，而空化和磨损两者相互促进作用，在短时间内就能引起水轮机磨蚀破坏。目前许多学者都进行了关于空化磨损的研究并提出了多种改善空化性能的措施，但仍无法做到完全避免空化现象的发生。因此，如何提高水轮机的抗空化磨蚀能力就成了急需解决的问题[2-4]。
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1.2 国内外研究进展
1.2.1 空化空蚀现象研究进展
空蚀主要是由于空泡溃灭在过流部件表面产生海绵状、针孔状或蜂窝状的破坏。目前为止，已经有许多关于空化理论的研究，但由于空化受多种因素的影响，目前还没有一个完整的空化理论体系，研究也主要通过观察空泡的发展来进行[5-7]。
高旭娜[8]等从微观角度出发，研究了空化初生阶段不同尺寸的空化核和不同的亚稳态对空化特性的影响，发现空化核必须达到临界空化尺寸和临界亚稳态时才能够继续发展，引起空化。
Vaz DATDD[9]提出通过改变推力系数，优化叶片的弦向和扭转角分布来改善空化性能，得到无空化现象的公式，并利用文中采用的模型对此种方法进行了验证。
卢义玉[10]等采用了新的热传导-热辐射模型用于空化数值计算，该模型能够更加准确的对空泡发展和溃灭的过程进行描述。Silva PASF[11]使用最小压力系数准则作为叶片流动的空化极限，对局部相对速度进行了修正，以防止叶片各截面出现空化现象，此方法比经典的 Glauert 优化设计水轮机效果更佳。
季斌[12]等对空化水动力学相关研究，主要对空化各种分类、空化实验技术的发展(空化速度场、压力场、空泡含量的测量)、数值模拟的发展(空化模型、湍流模型、大涡模拟)以及附着性空化等进行总结。
近些年，数值模拟已经成为研究水轮机空化问题常用的方法之一，Luo X W[13]等对近年来水轮机、泵等水力机械在空化领域的研究进展进行总结，主要包括最新发展的紊流数值模拟方法、利用先进光学技术和空化模拟技术揭示复杂流动的研究，以便更好的研究空化流动机理。
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第 2 章 混流式水轮机数值模拟
2.1 数值计算基本方法
2.1.1 数值计算基本理论
计算流体力学主要用于研究流体的运动，将流体动力学和数值模拟结合，目前已经得到广泛应用。数值计算的求解思想为：采用多个离散点的值替换连续的物理场，建立并求解各离散点变量间关系的代数方程。数值求解基本过程如图 2-1 所示[74]：
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2.2混流式水轮机模型及网格
本文以某水电站型号为 HLX180-LJ-145 的混流式水轮机为研究对象，对水轮机进行建模、网格划分和网格无关性验证。
为了保证数值模拟的准确性，在水质清澈季节选取不同的 6 个流量点对混流式水轮机真机进行效率试验，并与数值计算值对比。试验采用瑞士凯乐测量技术有限公司制造的PR-21Y 压力传感器对蜗壳进口压力和尾水管的压力脉动进行测量，该压力传感器的精度为±0.2％，响应时间小于 0.5ms。选用南京南瑞集团公司生产的 UF-911 超声波流量计来记录流量，流量计的精度为±0.5％。数值计算模型是在实际水轮机的基础上进行简化所得，未考虑到由于各种因素在实际运行时所引起的效率损失，因此试验值较小于数值计算值。如图 2-5 所示，数值计算值和试验值变化规律一致，拐点均出现在设计工况点；且在单位流量为 0.6Qd时两者的绝对误差最大，误差为 1.6%，在可接受范围内，因此认为本文进行的数值模拟能够代表实际运行过程中的规律。
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第 3 章 襟翼高度对混流式水轮机空化性能的影响........................17
3.1 襟翼模型及网格............................... 17
3.2 清水中襟翼高度对混流式水轮机空化性能的影响.................... 18
第 4 章 襟翼长度对混流式水轮机空化性能的影响..........................34
4.1 襟翼长度................................. 34
4.2 清水中襟翼长度对混流式水轮机空化性能的影响..................... 34
第 5 章 混流式水轮机空化性能非定常计算...........................46
5.1 转轮叶片空泡体积分数非定常分析....................... 46
5.2 转轮出口压力脉动非定常分析......................... 49
第 5 章 混流式水轮机空化性能非定常计算
5.1 转轮叶片空泡体积分数非定常分析
水轮机旋转一周需要 0.057132s，非定常计算时设置时间步长为 0.0004761s (即转轮旋转 3 度的时间)，对每旋转 45 度(即 1/8T)时水轮机转轮叶片吸力面的空泡进行观察。转轮内每个叶片上的空泡体积分数和空泡分布基本一致，因此，我们只需对某一叶片在转动一周时的空泡体积分数进行观察，即可代表转轮内所有叶片在旋转一个周期内空泡体积分数和空化范围的变化。
不同工况下原始转轮水轮机旋转一周时转轮叶片吸力面的空泡体积分数如图 5-1 和5-2 所示，两种工况下，叶片吸力面靠近转轮出口边的高空泡体积分数均无变化。对于空泡体积分数在 0.184~0.368 范围内的区域，小流量工况下，在 1/8T~3/8T 时段内该区域面积逐渐减少，随后在 4/8T~8/8T 时段内稍有增大；设计工况下，该区域面积在 1/8T~2/8T时段内减少，在 2/8T~5/8T 时段内保持不变，随后在 6/8T~5/8T 又稍有增大。综合观察，可以发现转轮旋转一周时叶片吸力面的空泡体积分数和空化面积随时间变化无明显改变，空化趋于稳定，对水轮机的稳定运行起到很好的作用。
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第 6 章 总结与展望
6.1 总结
本文以某水电站型号为 HLX180-LJ-145 的混流式水轮机为研究对象，分别在清水和含沙水介质中，小流量工况和设计工况点，对原始转轮水轮机和不同高度、不同长度的带襟翼转轮水轮机进行定常计算，通过对比水轮机效率和输出功率、转轮叶片吸力面空泡体积分数、水流流线、水流速度矢量图以及泥沙流速矢量图分析襟翼对能量特性和空化性能的影响。在清水中对原始转轮和高度为 10mm、长度为 80mm 的带襟翼转轮水轮机进行非定常计算，对工作周期内叶片吸力面空泡变化进行分析。得出结论如下：
(1) 水轮机转轮空化主要发生在叶片吸力面靠近转轮出口边和转轮出口，在含沙水中转轮叶片表面承受的压力更大，同时泥沙颗粒对空化起促进作用，导致空化现象比清水中更加严重。
(2) 在原始转轮的基础上增加襟翼后，转轮叶片吸力面的空泡体积分数减小，叶片表面流线顺畅，水流流态改善，有利于提高抗空化性能。在含沙水中，加入襟翼后转轮内泥沙流速减小，对转轮叶片及出口的冲击减弱，有利于改善空化性能。
(3) 改变襟翼高度发现，小流量工况和设计工况分别在襟翼高度为 30mm 和 10mm 时水轮机效率和输出功率最高，两种工况均是襟翼高度为 20mm 时水轮机效率和输出功率最低。清水和含沙水介质中，小流量工况下襟翼高度为 30mm 时吸力面空化面积最小，转轮内水流速度分布均匀；设计工况下襟翼高度为 10mm 时吸力面靠近转轮出口边的空泡体积分数最小，转轮内水流速度分布均匀。在含沙水介质中，小流量工况和设计工况下转轮内泥沙流动速度分别在襟翼高度为 30mm 和 10mm 时最小，此时泥沙夹杂在水流中，对转轮内的冲击减弱，提高了抗空化性能。
参考文献（略）
