基于CFD的灯泡贯流式水轮机卡门涡列诊断

引言

    卡门涡是发生在绕流物体尾部后的漩涡，是水流扰流物体表面时边界层脱流引起的。当卡门涡的频率与水轮机过流部件的过流频率特别接近时会发生共振破坏，危害是相当严重的，大朝山电站水轮机振动问题就是由卡门涡引起的。本文以某灯泡贯流式水轮机为研究对象，运用CFD数值模拟思想对此水轮机进行计算，对计算结果进行分析研究，诊断此水轮机在运行过程中是否受到卡门涡的影响。

1 卡门涡列产生的机理

    以圆柱体绕流为例来说明卡门涡产生的机理，图1为绕流流速增加时圆柱体的绕流流态。图中Re=vD/ν为雷诺数（v为流速，D为圆柱体直径，ν为水流的运动黏度） 。如图1（a）所示，当Re<5时，流动极慢，没有漩涡脱流，即边界层比较稳定，尾部漩涡有规律地汇合并相互抵消；如图1（b）所示，当（5~15）<Re≤40时，随着流速的增加，逐渐不稳定的边界层从圆柱后部开始脱流，形成两个对称稳定的漩涡；如图1（c）所示，当40<Re≤150时，圆柱体后形成交叉的层流涡列；当Re＞150时，层流开始向紊流过渡；如图1（d）所示，当150＜Re＜300时，紊流继续发展，以致边界层内亦开始向紊流过渡；如图1（e）所示，当3.0×105＜Re＜3.5×106时，边界层全部为紊乱状态，尾迹变窄且变乱；如图1（f）所示， Re≤3.5×106时，尾迹成为交叉涡列。这种流体绕流固体时，物体尾流左右两侧会产生成对、交替排列、旋转方向相反的对称漩涡，称为卡门涡列。

图1 圆柱体绕流流态

    当流体绕流具有流线型的水轮机转轮叶片时，在叶片尾部也会出现卡门涡列。边界层内的流速分布如图2所示，定义速度为零的P点为分离点，在分离点P以内的水层出现逆流，这个逆流形成漩涡脱流叶片，流动的漩涡在叶片钝尾（圆形出水边）后形成卡门涡列。当涡列的尺度合适，吸附了溶解的空气时，则涡列可见。

图2 边界层内速度脱流

2 几何模型的建立

    三维几何造型是CFD计算的基础，本文以某灯泡贯流式水轮机的结构尺寸为依据，运用三维造型软件建立其三维流体模型。在各模型部件中，桨叶的曲率变化最大，故在进行叶片几何造型过程中，将叶片曲面体合理地分为多张曲面的组合，根据叶片的形状，叶片上各张曲面的特点，曲面造型的误差控制，曲面的裁剪、延拓、求交的几何运算要求，CFD计算的要求确定造型方法。建模时，先构造出各部件（包括流道、灯泡体及转轮体、导叶、桨叶）的模型，然后将各部件装配起来形成水轮机全流道的水力模型。各部件模型图和全流道模型图如图3到图7所示：