浙江大学。学报(工学版)水泵水轮机泵工况小流量波动特性王乐勤刘锦涛张乐福2，覃大清2，焦磊1(1.浙江大学化学工程与生物工程学系，浙江杭州310027;。哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨150040)和剪切压力传输模型(SST k-W模拟泵工况的流场特性，分析当泵工况活动导叶处于设计开度时在小流量下转轮、导叶的流场，结合。

　　水泵水轮机结构图Fig. 2湍流模式及边界条件bookmark3 2.1湍流模式为了同时捕捉近壁面和远壁面的流动特征，采用基于湍流能量方程和扩散速率方程设计的SSTk-流动方程，方程如下：根据某电站水泵水轮机进行建模，模型与原型之间的相似准则如下所示：流量，n为转速，d为转轮直径，m为流体密度，n为水泵水轮机的效率，g为重力加速度，H为扬程，P为功率。

　　水泵水轮机转轮基本参数如下。原型机：n= 357m，导叶开度7=下，选取体积流量为70m3/s对2种方案进行计算通过对扬程的比较分析验证网格大小是否满足计算要求。2种方案的收敛精度均设置为各项残差达到104，采用方案1计算632步后收敛，采用方案2计算753步后达到收敛。

　　表2网格划分部件网格单元数方案网格单元数蜗壳和导叶叶轮尾水管采用方案1网格结构计算扬程并将其按式(2)相似换算为2474m，方案2的扬程为247.5m，经试验测得的。当网格单元数大于1697079时，能够达到计算精度要求。为了节省计算时间，采用的计算模型网格结点数为587854网格单元数为2 4计算结果及分析4.1流场分析对导叶处于设计开度、不同流量下的流场进行分析，取z=0的截面、导叶及转轮局部区域的流场如所示。通过对水泵水轮机的流场分析可以发现，在小流量下水泵水轮机涡主要存在导叶间以及转轮向导叶的过渡段，并且涡结构具有一定的规则性，绕转轴呈类周期性分布。随着流量的减小，涡结构的数量逐渐增多，但是涡结构的尺度在相邻的导叶之间变化不同，相邻的2个间隙，其中一个逐渐减小并消失，另一个间隙逐渐变大，当体积流量约为40m3/s时，逐渐增大的涡结构基本充满活动导叶不同流量z=0截面局部速度矢量图水泵水轮机内流场不存在完整结构的涡。

　　不同流量下0截面涡量分布Fig.当体积流量为40m3/s时的导叶之间压力分布如所示。由速度矢量图和压力分布图可以看出，当体积流量为10~60m3/s时在活动导叶与固定导叶之间存在明显的射流现象，流体的射流冲击使周围的压力降低，从而使流体回流产生大尺度的涡结构。导叶之间的流道窄，再加上小流量时导叶附近涡结构的存在使流体在一定范围内回旋，阻塞了部分流道，当射流现象出现时，使周围压力变低，涡结构的尺度变大使流道进一步变窄，流量越小涡结构的尺度越大，射流现象越明显。

　　如所示，水泵水轮机在小流量运行时，叶片背面流体容易发生脱流，产生负压，乃至空化现象的发生。叶片出口的回流现象产生叶道涡使叶片流道变窄，过水断面流速增加，会进一步加剧空化的发生，以至于出现振动和噪声。

　　由可知，随着流量的减小，涡量的均值逐渐变大，涡量的分布越来越复杂。涡量梯度变化较大的当体积流量为40 0的压力分布当体积流量为40m3/s时局部叶片展开速度矢量区域主要分布在转轮与导叶之间以及固定导叶与活动导叶之间的流域，与涡结构的分布区域完全吻合。

　　当，>60m3/s时，叶轮的出口涡量明显降低，说明此时叶片尾迹涡已不存在。

　　泵工况H与qv关系曲线Fig. 4.2小流量下的扬程曲线如所示，水泵水轮机的扬程在流量为0时大，在0~20m3/s时扬程随流量增加迅速降低，当流量增加到20m3/s以上时扬程曲线只在小范围内波动，扬程基本保持不变。涡结构的存在是能量耗散的原因，流量越小，涡结构越多，小流量时扬程曲线在一个小范围内波动的主要原因是涡结构使能量耗散造成的。由此可以说明，水泵水轮机小流量下扬程基本保持不变是由于导叶的存在致使涡结构产生能量耗散引起的。

　　5结论水泵水轮机泵工况小流量下的扬程在20 ~70m3/s时基本保持不变。

　　水泵水轮机小流量下的涡结构主要存在于导叶间以及转轮向导叶的过渡段。泵工况小流量下靠近叶片背压面出口处存在明显的叶道涡。

　　随着流量的减少，涡结构逐渐增加，涡结构的尺度变大，涡的增加使能量耗散增多，导叶的存在是小流量下扬程曲线在小范围内波动的原因。

　　模型能够准确地预测泵工况小流量下的外特性。