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1、水泵水輪機(jī)暫態(tài)過程非定常流動(dòng)特性及空化影響研究(申請(qǐng)清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文)培養(yǎng)單位：能源與動(dòng)力工程系學(xué)科：動(dòng)力工程及工程熱物理研究生：李中杰指導(dǎo)教師：王正偉教授二○一七年十二月ResearchontheUnsteadyFlowCharacteristicsandCavitationInfluenceintheTransientProcessofthePump-turbineDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforth
2、edegreeofDoctorofPhilosophyinPowerEngineeringandEngineeringThermophysicsbyLiZhongjieDissertationSupervisor:ProfessorWangZhengweiDecember,2017摘要摘要為了滿足電網(wǎng)日益增長(zhǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)需求，抽水蓄能電站需要進(jìn)行頻繁的工況轉(zhuǎn)換。水泵水輪機(jī)作為抽水蓄能電站的核心裝備之一，其穩(wěn)態(tài)工況流動(dòng)現(xiàn)象已得到廣泛的研究，而其暫態(tài)過程中的復(fù)雜流動(dòng)及空化特性還未得到深入探討。因此，開展水泵水輪機(jī)暫態(tài)過程非定常流動(dòng)特性及空化影響
3、研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本研究建立了管路一維水聲模型與機(jī)組三維計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的耦合計(jì)算方法，基于轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)量方程計(jì)算暫態(tài)過程中轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速，采用嵌套網(wǎng)格技術(shù)模擬暫態(tài)過程中導(dǎo)葉開度的動(dòng)態(tài)變化過程，基于Schnerr&Sauer空化模型計(jì)算暫態(tài)過程中機(jī)組內(nèi)部水、汽間的質(zhì)量交換，從三維流場(chǎng)中提取尾水管內(nèi)空化渦帶體積變化引起的質(zhì)量激勵(lì)源，同時(shí)考慮空化對(duì)波速的影響，對(duì)暫態(tài)過程中空化狀態(tài)下的一維尾水管模型進(jìn)行了改進(jìn)。通過數(shù)值模擬結(jié)果與暫態(tài)過程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算模型的適用性與準(zhǔn)確性。基于耦合算法對(duì)水泵水輪機(jī)開機(jī)和停機(jī)過程分別進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析
4、了暫態(tài)過程中機(jī)組的外特性、轉(zhuǎn)輪力特性、壓力脈動(dòng)特性以及內(nèi)部瞬態(tài)流動(dòng)演化過程，通過瞬態(tài)流動(dòng)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的分析建立其與瞬態(tài)性能的關(guān)聯(lián)性，并探討機(jī)組歷經(jīng)“S”特性區(qū)的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象及機(jī)理，發(fā)現(xiàn)無(wú)葉區(qū)高速水環(huán)的阻水效應(yīng)和轉(zhuǎn)輪內(nèi)旋渦堵塞效應(yīng)的聯(lián)合作用導(dǎo)致流量和轉(zhuǎn)矩的急劇下降?；诤栈Ｐ偷鸟詈纤惴▽?duì)水泵水輪機(jī)甩負(fù)荷過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了機(jī)組在突甩負(fù)荷后歷經(jīng)水輪機(jī)工況區(qū)、制動(dòng)區(qū)和反水泵區(qū)的瞬時(shí)流動(dòng)特性以及空化發(fā)展與演變過程，發(fā)現(xiàn)機(jī)組甩負(fù)荷過程受“S”特性影響顯著，在通過制動(dòng)區(qū)后進(jìn)入反水泵區(qū)較深，反水泵區(qū)內(nèi)最大負(fù)向轉(zhuǎn)矩值接近正向額定轉(zhuǎn)矩值，短時(shí)間內(nèi)在主
5、軸上造成很大的力矩反轉(zhuǎn)。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組甩負(fù)荷至最大轉(zhuǎn)速附近時(shí)尾水管內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重空化，考慮空化相變?cè)斐傻馁|(zhì)量擾動(dòng)及波速變化，分析了由空化引起的質(zhì)量激勵(lì)源對(duì)于機(jī)組外特性和壓力脈動(dòng)特性的影響，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量激勵(lì)源加劇了尾水管內(nèi)壓力的波動(dòng)幅值，并導(dǎo)致空化區(qū)域的擴(kuò)大。本文研究揭示了開、停機(jī)和甩負(fù)荷過程中的復(fù)雜流動(dòng)特性及機(jī)理，可為指導(dǎo)機(jī)組暫態(tài)過程安全穩(wěn)定運(yùn)行和改善系統(tǒng)水力穩(wěn)定性提供科學(xué)的分析依據(jù)。關(guān)鍵詞：水泵水輪機(jī)；暫態(tài)過程；耦合計(jì)算；“S”特性；空化IAbstractAbstractInordertomeetthegrowingdemandforloadr
6、egulationofthepowergrid,pumpedstoragepowerstationsaresubjectedtofrequentconditionconversions.Thepump-turbineisoneofthecorecomponentsofthepumpedstoragepowerstationwithitssteady-stateflowphenomenonandmechanismalreadybeenwidelystudied,whilethecomplexflowcharacteristicsandins
7、tabilityinthetransientprocesshasnotyetbeenexploredindepth.Therefore,itisofgreatpracticalsignificancetostudytheflowcharacteristicsofthree-dimensionaltransientprocessofthepump-turbine.Inthisstudy,anumericalsimulationmethodthatcouplestheone-dimensionalhydroacousticmodel(1DHA
8、)andthree-dimensionalcomputationalfluiddynamics(3DCFD)wasestablished.Therotationalspeedoftheroto
