《基于Liutex方法与熵产理论的混流式水轮机部分负荷工况水力稳定性分析》研究报告
作者与机构
本研究由同济大学航空航天与力学学院的Lihui Xu（第一作者）与昆明理工大学建筑工程与力学学院工程力学系的Tao Guo（通讯作者）共同完成，发表于2025年的期刊Energy（Volume 328, Article 136528）。
学术背景
随着中国“2030碳达峰、2060碳中和”战略及“十四五”规划的推进，风电、光伏等清洁能源并网规模激增，水电作为电网调峰的核心组件，需频繁适应风光水多能互补发电的变负荷工况。混流式水轮机在部分负荷运行时，流道内多尺度涡结构的时空演化会引发空化、压力脉动及能量损失，威胁机组安全稳定运行。传统涡识别方法（如基于涡量的第一代方法或Q、λ₂等第二代标量方法）存在剪切污染、阈值主观性等局限，而Liutex方法（第三代涡识别技术）能精确量化流体刚体旋转强度与方向。同时，熵产理论可定量表征能量耗散位置，弥补压降法无法定位高损失区域的缺陷。因此，本研究以HLA551-LJ-43模型水轮机为对象，结合Liutex与熵产理论，系统分析变转速、变水头、变流量工况下涡结构对空化、压力脉动及水力损失的影响机理，为新型电网优化提供理论支撑。
研究流程与方法
1. 数值建模与网格划分
- 几何模型：全流道包含蜗壳、固定导叶/活动导叶域、转轮域及尾水管域，动态-静态交界面采用滑移网格技术处理。
- 网格设计：采用六面体结构化网格，通过网格独立性验证（以效率为指标），最终模型包含1306万单元，转轮区域平均y+≈11，使用SST k-ω湍流模型与自动壁函数。
- 边界条件：入口为速度Dirichlet条件，出口为自由出流（空化工况设压力出口），壁面无滑移。
2. 工况设置与数值方法
- 工况选择：基于相似理论转换模型特性曲线，选取5种典型工况（设计工况、小流量、高水头、低转速、高转速）。
- 控制方程：求解不可压缩RANS方程，采用Zwart-Gerber-Belamri（Z-G-B）空化模型，时间步长0.001s（每步对应转轮旋转1%），总模拟时长2.2s，收敛残差<10⁻⁵。
- 涡识别与熵产计算：
- Liutex方法：通过式(5)-(6)定义涡量强度R，阈值设为50，识别涡结构形态。
- 熵产理论：分直接耗散项（平均速度场）与湍流耗散项（脉动速度场），如式(7)-(9)，结合SST模型近似计算湍流熵产。
3. 监测点与数据分析
- 全流道布置压力监测点（图4），提取稳定后0.4s数据做FFT分析压力脉动频谱。
- 通过湍动能（TKE）时空变化揭示涡演化与能量损失关联性。
主要结果
1. 涡结构与空化特性
- 导叶开度影响：小流量工况（工况B）导叶域出现轴向涡，因攻角减小导致流动分离；设计工况（工况A）导叶涡微弱，证实设计几何参数合理。
- 转速效应：高转速（工况E）增强尾水管涡的螺旋特性，而低转速（工况D）有效消除螺旋性，显著抑制空化（图9-13）。
- 水头效应：高水头（工况C）引发转轮全域大规模空化，但涡结构与空化无直接关联——如工况B中叶片通道涡与空化区域分离。
2. 压力脉动传播机制
- 低频主导：尾水管涡频率（设计工况0.5fn，小流量0.25fn）向上游传播至蜗壳域，成为全流道主导频率（图14-15）。
- 动态干涉：高转速工况下，转轮前缘湍动能突增（图19），压力脉动幅值升高，加剧机组振动风险。
3. 熵产分布与能量损失
- 核心损失区域：转轮域的叶片通道涡与叶顶泄漏涡是水力损失主源（图20-22），此规律在高水头、变转速工况下均成立。
- 湍流耗散占比：小流量工况导叶近壁区TKE周期性丧失（图17），熵产显著集中于涡核位置，印证Liutex捕捉的涡结构与能量耗散空间一致性。
结论与价值
- 工程指导：低转速运行可有效抑制尾水管涡螺旋性与空化，提升机组稳定性；高水头易诱发全域空化，需优化转轮设计。
- 理论创新：首次将Liutex与熵产理论结合，阐明涡结构通过压力脉动传播与能量耗散影响水力稳定性的动态机制。
- 方法优势：Liutex阈值依赖性低，熵产理论精准定位损失区域，为复杂工况分析提供新范式。
研究亮点
- 跨尺度涡分析：从导叶微小轴向涡到尾水管大尺度螺旋涡的全域捕捉。
- 多物理场耦合：联动涡演化-空化-压力脉动-能量损失，揭示其因果链。
- 工况普适性验证：覆盖变转速、变水头等关键边界条件，结论具工程泛化性。
补充价值
研究数据可通过请求获取，开源代码与实验参数为后续同类研究提供基准。文中对比了传统涡识别方法（如Q准则）的局限性，凸显Liutex在复杂湍流中的优越性，为水力机械涡研究树立新标准。