灯泡贯流式水轮机组涡动力学分析

    1 几何模型及计算工况

    灯泡贯流式水轮机全流道模型如图1所示，该水轮机由进水流道、导叶、转轮、尾水管组成。水轮机主要参数如下：流道总长73.259m，转轮直径：7.2m，额定转速：68.18r/min，导叶个数：Zo=16，浆叶叶片数：Z=4。桨叶开度37º，导叶开度65.325º，进口流量360402 kg/s，计算效率为89.3927（%），水头为8m。

    图1 灯泡贯流式水轮机全流道水力模型

    2 叶片BVF与叶片摩擦力线联合诊断

    2.1 BVF

    作用在叶片上的转矩为：

    BVF，即为边界涡量流，是单位时间内通过单位面积进入流体的涡通量，可用来诊断叶片是否合格。当BVF值为正时，表示BVF对轴功率起负效果。

    对于不可压缩流体，BVF为：

    2.2 表面摩擦力

    表面摩擦力表达式为：

    当叶片表面摩擦力线在某个部位出现汇聚时，且此部位的BVF有峰值，即可认为在此处发生了流动分离。

    2.3 计算结果及分析

    在图2到图5中，对比叶片压力面BVF和叶片工作面摩擦力线，可以看出叶片压力面深色区域很少，仅在靠近叶片进口处条状区域和靠近轮缘处一些极小的区域，说明此区域BVF变化较大；叶片压力面摩擦力线在靠近进口的轮缘区域和靠近轮毂区域出现汇聚。综合考虑叶片压力面BVF和摩擦力线，叶片压力面靠近进口的地方，BVF变化较大且摩擦力线出现汇聚，并且BVF峰值恰好与摩擦力线的走向一致，故可判定在此发生流动分离；在靠近轮缘处的两个区域虽然BVF变化较大，却未出现摩擦力线汇聚，则此处流动不好，但是并未发生分离；在叶片压力面靠近轮毂处出现摩擦力线汇聚，但BVF变化不大，不存在峰值，不能说明此处有分离，只能说明在此处叶片表面摩擦力对叶片产生了副作用。

    对比叶片吸力面BVF和叶片吸力面摩擦力线，叶片吸力面BVF在靠近进口边有小部分条状区域和靠近轮缘处月牙形区域呈现深色，即此区域BVF变化较大；叶片吸力面摩擦力线在靠近轮毂处的月牙形区域发生汇聚；综合BVF和摩擦力线考虑，轮毂处月牙形区域同时有较大的BVF变化和摩擦力线汇聚，且BVF峰值与汇聚线一致，说明在此月牙形区域发生流动分离；而靠近进口条状区域只显示BVF变化较大，但摩擦力线没有汇聚，说明此处流动不好，但没有发生流动分离现象。