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一、研究作者与发表信息

本研究由 Mohammad Abu Shahzer（韩国科学技术院工业技术研究院）、Duc-Anh Nguyen（韩国忠南大学能源系统工程系）和 Jin-Hyuk Kim（韩国工业技术研究院碳中和技术研发部）共同完成，发表于期刊 《Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics》（2025年，第19卷第1期，DOI:10.¹⁰⁸⁰⁄_19942060.2025.2538811）。

二、学术背景

研究领域与动机

该研究属于计算流体力学（CFD）在水力机械中的应用领域，聚焦混流式水轮机（Francis turbine）在部分负荷（part load, PL）工况下空化流动（cavitating flow）的内部流动机理。混流式水轮机因高效率和大范围运行适应性被广泛应用于水电站，但其在部分负荷运行时会产生复杂的瞬态流动结构（如旋转涡带，rotating vortex rope, RVR），并伴随空化现象，导致压力脉动和机械振动，严重影响机组稳定性和寿命。

研究目标

1. 比较不同湍流模型（turbulence model）在部分负荷空化条件下的预测能力，包括稳态（k-ε、k-ω、SST）和瞬态（SST-SAS）模型。
   
2. 揭示空化涡带的动态特性及其与湍流模型的关联性。
   
3. 提出一种能在计算成本与精度间取得平衡的湍流模型优化方案。
   

三、研究方法与流程

1. 实验与数值模拟结合

• 实验台架：基于IEC-60193标准搭建1:12.4缩尺混流式水轮机模型，配备螺旋蜗壳、固定导叶（20个）、活动导叶（20个）、转轮（11叶片）和肘形尾水管（含4个抗旋鳍）。通过调整导叶开度和真空泵控制尾水管压力，模拟部分负荷（流量为设计值的76%）和空化起始点（σᵢ=0.266）。
  
• 测量参数：扭矩、转速、压力、流量，系统不确定度<0.15%（表1）。
  

2. 数值模拟方法

• CFD软件：ANSYS-CFX，采用非定常多相流（水-蒸汽）模拟。
  
• 湍流模型：
  
  • RANS类：标准k-ε、标准k-ω、SST（剪切应力传输，Shear Stress Transport）。
    
  • 杂交模型：SST-SAS（基于von Karman长度尺度的尺度自适应模拟）。
    
• 空化模型：Zwart-Gerber-Belamri（ZGB）模型，基于Rayleigh-Plesset方程描述气泡动力学。
  
• 网格生成：混合结构/非结构网格（转轮采用Hexahedral，尾水管采用Tetrahedral+棱柱层），网格独立性通过GCI方法验证（误差%）。
  
• 边界条件：质量流量进口、压力出口（σᵢ=0.266）、自动壁面函数（y⁺<80）。
  

3. 数据处理与分析

• 性能参数：效率（η）、功率（P）、域内水头损失（hₗₒₛₛ）。
  
• 流场特性：涡粘比（μₜ/μ）、轴向/切向速度分布、压力脉动频谱分析（FFT）。
  
• 涡带表征：通过等压面（p=3169.9 Pa）可视化空化涡带体积。
  

四、主要研究结果

1. 湍流模型对性能预测的影响

• 稳态模拟：SST模型在全部工况下表现最优，效率预测偏差%（表5），因其动态混合k-ε（主流区）和k-ω（近壁区）模型的能力。
  
• 瞬态空化模拟：SST-SAS模型最接近实验数据（效率偏差0.26%，表6），而k-ε模型因高涡粘比严重低估瞬态效应。
  

2. 涡带动态特性

• 涡带分辨率：SST-SAS模型捕获的涡带体积比k-ε模型高95.3%（表8），且能清晰呈现涡带随时间变化的螺旋结构（图10）。
  
• 流场机理：部分负荷下，转轮出口高切向流速在尾水管形成滞流区（轴向流速反向），SST-SAS模型预测的逆向流速比k-ε模型低45.7%（图13）。
  

3. 压力脉动与空化

• 压力信号：SST-SAS模型成功捕捉低频涡带脉动（0.2–0.4fₙ）及高频空化脉动（1–4fₙ），而k-ε模型过度阻尼波动（图19）。
  
• 空化区域：仅SST-SAS模型准确预测叶片吸力面尾缘的空化起始（图17–18），与实验观察一致（压力降至蒸汽压阈值3169.9 Pa）。
  

五、结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 证明SST-SAS模型在预测部分负荷空化流中的多尺度湍流结构和瞬态效应方面优于传统RANS模型，其涡粘比降低58.2%（表7），更接近LES精度但计算成本更低。
     
   • 揭示了抗旋鳍对涡带抑制的作用机制（通过降低切向动量）。
     
2. 工程价值：
   
   • 为水轮机非设计工况优化提供可靠的数值工具，可指导抗空化设计和运行策略（如注气控制）。
     
   • 提出湍流模型选择准则：SST-SAS适用于瞬态空化流，SST适用于稳态工况。
     

六、研究亮点

1. 创新方法：首次系统比较SST-SAS与RANS模型在高比转速（nₛ=276）混流式水轮机空化流中的应用。
   
2. 关键发现：空化涡带的瞬态特性强烈依赖湍流模型的涡粘比预测精度。
   
3. 技术突破：结合抗旋鳍几何与SST-SAS模型，量化了尾水管流动不稳定性。
   

七、其他

• 实验验证：CFD结果与IEC标准台架数据匹配，不确定度分析严格遵循规范（公式27–29）。
  
• 开源许可：论文遵循CC BY-NC 4.0协议，允许非商业用途的共享与改编。
  

此研究为水力机械领域提供了从基础湍流建模到工程应用的全链条解决方案，显著提升了复杂流动现象的预测能力。