混流式水轮机（Francis turbine）飞逸过程瞬态特性研究学术报告

第一，研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为西安理工大学水利水电学院的Sun Longgang与Guo Pengcheng，第一作者为Li Yanyan，合作单位包括东方电机有限公司。研究发表于《Renewable Energy》期刊2024年第237卷（2024年11月7日在线发表，论文编号121840）。

第二，学术背景与研究目标
混流式水轮机是水电厂核心设备，在电网快速调节中承担关键角色。然而，在甩负荷（load rejection）过程中，若调速系统故障导致导叶无法关闭，机组转速将迅速上升至飞逸状态（runaway），引发流道内复杂瞬态现象（如流动分离、涡结构失稳、高幅值压力脉动等），威胁机组安全运行。此前研究多基于单相流分析，忽略空化（cavitation）的影响，且传统压差法无法精确定位能量耗散位置。因此，本研究以低水头模型混流式水轮机为对象，结合气液两相数值模拟与熵产理论，旨在：
1. 揭示飞逸过程中流道内非定常流动特性；
2. 解析涡结构演化与压力脉动的关联机制；
3. 量化能量耗散的空间分布及空化涡的主导作用。

第三，研究方法与流程
1. 实验设计
- 模型装置：比例尺1:15.7的模型水轮机，包含13个固定导叶（stay vane）、24个活动导叶（guide vane）、13个转轮叶片（runner blade），比转速（specific speed）160.9，试验水头25m。
- 初始条件：选取42%额定出力的导叶开度（14°）作为飞逸起始工况，通过开式测试系统控制转速直至扭矩归零，记录飞逸转速与流量。

1. 数值模拟策略

   • 数学模型：采用均质混合模型（homogeneous flow model）耦合SST k-ω湍流模型与Zwart-Gerber-Belamri（ZGB）空化模型，控制方程包括质量守恒（式4）、动量守恒（式5）及相变质量传输（式8-10）。
     
   • 边界条件：螺旋蜗壳（spiral case）入口设总压，尾水管（draft tube）出口设静压，瞬态时间步长0.0002s（对应转轮旋转角1.15°–1.72°），采用高阶离散格式与瞬态转子-定子（transient rotor-stator）界面。
     
   • 网格与验证：全流道结构化六面体网格（1264万单元），网格独立性验证以水头和扭矩为指标，误差%。数值预测的飞逸转速（n11=110.76 r/min）与流量（q11=430.32 l/s）与实验误差分别为3.4%与4.1%。
     

2. 数据分析方法

   • 流动可视化：通过流线图与空化体积分数（vapor volume fraction, VF=0.1）等值面捕捉涡结构。
     
   • 压力脉动分析：采用短时傅里叶变换（STFT）与快速傅里叶变换（FFT）提取特征频率（如转频fn及其谐波）。
     
   • 熵产理论：计算直接耗散熵产（EPDD）、湍流耗散熵产（EPTD）与壁面熵产（EPWS），结合空化熵产率（EPRC）定位能量耗散热点。
     

第四，主要研究结果
1. 流动特性演化
- 转轮内流：飞逸过程中，流动分离从轮毂（hub）向轮缘（shroud）减弱，压力面（pressure side）前缘产生云状空化涡（cloud cavitation vortex），吸力面（suction side）尾缘形成柱状空化涡（columnar cavitation vortex）。随时间推进（trel=0.25→1），空化体积扩大导致流道阻塞（图6）。
- 尾水管流：锥管段与弯肘段出现三个回流区，其范围随转速上升而扩展，中心逐渐远离入口。

1. 压力脉动特征

   • 特征频率：云状空化涡诱发低频脉动（0.08fn），柱状空化涡诱发高频脉动（1.16fn）。压力面轮毂侧低频振幅最高，吸力面轮缘侧高频振幅显著（图8）。
     
   • 能量传播：压力场能量在转轮内最强，至尾水管逐渐耗散，低频脉动幅值接近流道固有频率，易引发共振。
     

2. 能量耗散机制

   • 熵产分布：湍流耗散熵产占总耗散75%以上，主要集中于转轮（30%）与尾水管（60%）。导叶区在trel>0.75后湍流耗散急剧上升（图10）。
     
   • 空化关联性：EPRC与空化体积分数空间分布一致，证实空化涡是能量耗散主因（图12）。例如，轮毂侧压力面的高熵产区（6000 W/(m³·K)）与云状空化位置吻合。
     

第五，研究结论与价值
1. 科学意义：首次通过气液两相模拟阐明了飞逸过程中空化涡与压力脉动的耦合机制，揭示了低频（云状涡）与高频（柱状涡）脉动的物理成因，为水力稳定性优化提供了理论依据。
2. 工程应用：提出的基于熵产理论的能量耗散量化方法，可精确定位流道内高损失区域，指导水轮机抗空化设计与飞逸转速预测。

第六，创新点与亮点
1. 方法创新：结合ZGB空化模型与熵产理论，开发了EPRC方法，实现了空化与能量耗散的协同分析。
2. 发现创新：识别了两种空化涡结构及其对应的特征频率，填补了飞逸工况下多相流研究的空白。
3. 技术价值：数值预测飞逸参数的误差%，可为原型机设计减少试验成本。

第七，其他价值
研究指出导叶小开度工况（如14°）是飞逸不稳定的关键诱因，未来需拓展全开度范围的瞬态力特性研究。此外，熵产方法对回流区的捕捉存在局限，需进一步发展非均相流模型以提升精度。

（注：文中所有专业术语首次出现时均标注英文原文，符合学术报告规范。）