通氣空化及其抑制水輪機壓力脈動的研究（面上項目）
結題摘要
通氣空化流動是一種複雜物理現象，涉及到非定常湍流、相間質量轉換、可壓縮性等科學難題。但通氣空化卻有着非常好的應用前景，如通入適量空氣可抑制水輪機中強烈的水壓脈動，在高速魚類、水下潛射彈體等水下航行體頭部通氣可顯著減小運動阻力，等。為了拓展通氣空化的應用，必需深入了解通氣空化的複雜現象及其演化規律，揭示通氣空化的內在機理。 本項目開展的主要工作：（1）利用高精度空化水洞開展了通氣空化的原理實驗，分別細緻考察了三維扭曲水翼的附着型空化、雲空化、超空化，以及迴轉體在四種不同通氣條件下的空化現象；（2）分別考慮液相與蒸汽、液相與氣相的相間界面對主流發展的影響，引入Level Set方法來反映氣-液、汽-液界面的表面張力在流動控制方程中的作用，構建了新的通氣空化模型。為了反映空化與湍流的交互影響，提出了基於濾波器的密度修正模型，即通過引入混合因子，使之涵蓋空化湍流發展和流體密度變化對湍流粘性係數的影響。經與實驗數據比較，驗證了本項目研究的通氣空化湍流模擬方法適用性好，可用於水輪機通氣空化的高精度數值模擬；（3）採用溪洛渡電站的水力模型，開展了水輪機非定常流動模擬，分析了低負荷工況下水輪機無葉區、轉輪葉片表面和尾水管的壓力脈動，並與模型試驗結果進行比較。結果表明混流式水輪機低負荷運行工況下，尾水管渦帶引起低頻壓力脈動，其影響可上溯至無葉區。研究揭示了典型部位壓力脈動頻率與幅值的變化規律；（4）探討了不同運行工況下通氣參數（補氣孔位置、補氣量）、水輪機相關設計因素（如轉輪泄水錐抑渦槽、尾水管抑渦結構）對水輪機內空化流場及壓力脈動的影響。結果表明補氣有助於抑制尾水管渦帶引發的壓力脈動，且上冠補氣的效果優於主軸中心孔補氣；上冠補氣不僅可較大幅度抑制壓力脈動，也有利於改善水輪機在低負荷運行工況下的能量特性；轉輪泄水錐抑渦槽可以緩解低負荷下的壓力脈動，但引發滿負荷工況下的渦帶。 項目研究的通氣空化模擬方法不僅成功模擬了水輪機內和繞水下航行體的複雜空化湍流及壓力脈動特性，而且可應用於其它領域以解決含非凝聚性氣體的流動問題。研究歸納的通氣參數與抑渦結構可有效改善水輪機壓力脈動，為我國大型電站安全運行提供了有價值的技術支撐。 本項目發表學術論文21篇，其中SCI檢索15篇；申請發明專利2項，其中1項已授權；培養博士後1名、博士生4名、碩士生1名。
項目摘要
抑制和減輕水輪機壓力脈動是現代水電工程中的重要研究內容。本項目擬開展通氣空化的原理實驗，弄清通氣空化發展過程中的流動演變特徵，同時測量試驗物體的力特性與典型部位的壓力脈動；參照實驗成果，基於動態更新空化核含量的方法改進通氣空化的模擬模型，並引入空化特徵量對湍流模式進行適當修正，提出一套適合實際複雜通氣空化流動的模擬方法；開展水輪機通氣空化的高精度數值計算，找到通氣空化條件下影響水輪機壓力脈動的關鍵要素；探討不同運行工況下通氣參數、水輪機相關設計因素對水輪機內空化流場及壓力脈動的影響規律，總結出一些有效控制壓力脈動的具體措施和建議。通過項目研究，不僅可以完善通氣空化流動的相關基礎理論，也為解決水輪機壓力脈動、水下兵器通氣減阻等工程問題研究探索新的分析方法。