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抽水蓄能机组在实际运行中，需要频繁地切换工况;工况的变迁过程即过渡过程，主要特征表现为机组和引水系统的水力和机械参数值发生大幅度变化。虽然机组处于过渡过程的时间较短，但水流惯性与机械运动惯性会引起很大的动态附加载荷和一系列复杂的物理现象，这对抽水蓄能电站整个系统的运行安全性、广一水泵的稳定性和可靠性都有*影响。

目前，关于广一水泵水轮机设计工况和某些非设计工况下的内部流场特性的研究已日趋成熟.这类研究大多是利用CFD流场分析软件，在边界恒定情况下的三维定常或非定常数值分析.但在过渡过程中，广一水泵机组实际运行时的来流条件、转轮区转速、流道内流场形态等均会发生变化，常规的CFD模拟难以实现对流动瞬态性能的精确预测，因此存在无法表征流动瞬态形态的缺陷.已有资料将动网格方法运用于水力机械过渡过程的研究工作中，并证明了该方法运用于水轮机机组飞逸过程、广一管道泵、水轮机泵工况突然断电过程等过程研究的可行性.但是，动网格方法存在网格重构计算量大、局部网格变形大等问题，需要耗费大量计算资源.因此运用动网格模型进行的水泵水轮机全流道三维瞬态过程数值模拟还较少,广一水泵厂对此的相关研究也处于刚起步阶段.

为了研究水轮机工况下增负荷过程中水泵水轮机尾水管内瞬态流场特性，广一水泵厂基于Fluent软件动网格模型，对该瞬态过程进行数值模拟，根据结果重点分析尾水管内回流、旋流等非定常流场结构的发展、演化过程，以便为相关领域的研究提供参考.

一、几何模型

广一水泵厂的研究对象为某抽水蓄能电站模型混流式水泵水轮机，尾水管为弯肘型,具体结构如图1所示.原型机水轮机工况下额定净水头Ht=190m,额定转速nt=250r/min,水轮机工况比转数ns=149.34,比转数常数K=2211.3(属中等范围水平），原模型比例尺1=10.967.模型广一管道泵水轮机主要特征参数：转轮叶片数、活动导叶数、固定导叶数分别为9,0,20;导叶高度bO=66.72mm,转轮高压侧直径D1=473.6mm,转轮低压侧直径D2=300mm.

利用三维造型软件Pro/E,对模型广一水泵水轮机全流道进行三维建模，为后续的网格划分工作做好准备。

二、数值模拟方案

广一水泵厂所研究的增负荷过程，是在机组运转特性曲线所确定的功率调节范围内的一个开度增加、流量变大的过程，机组转速n保持为1090r/min,活动导叶开口a。按直线规律从21mm均匀地增大到45mm。为了使数值模拟更加接近真实流动状态,根据稳态模型试验数据建立该过程近似的蜗壳进口质量流量变化方程。

三、数值模拟方法

1.进口质量流量与导叶开度瞬态变化的实现Fluent软件用户自定义函数（UDF)是用C语言编写的子程序，通过编译或者解释的方式可动态链接到软件中进行求解.通过UDF中的DEFINE—PROFILE宏指令和面循环函数begin—f_loop(f,t),可以根据式(2)定义蜗壳进口的质量流量;动网格模型中DEFINE_CG_MOTION宏指令可以定义刚体运动，利用该指令能够控制活动导叶开度的变化规律。

负荷增加过程中，随着活动导叶开度逐步增大，活动导叶附近计算域将发生显著变形.广一水泵厂为了保证计算过程中网格的扭曲率和尺寸在规定范围内，利用将弹性光顺模型（springsmoothing)和局部网格重构模型（localreme）相结合的动态网格更新思想，实现计算域边界的运动.

2.网格划分

将全流道划分为4个计算域:蜗壳、导叶、转轮和尾水管.考虑到广一水泵水轮机内流道几何结构十分复杂，而非结构化网格对空间复杂几何边界适应性强，且对动网格模型的兼容性也较好，所以各计算域均采用非结构化四面体网格进行划分.经过网格无关性数值验证，zui终网格总单元数确定为4.90x106,网格总节点数为7.98x105.

3.控制方程和边界条件

该流场属于复杂的不可压三维变形湍流流场，它是在固体边界运动和动静干涉共同作用下引起的.湍流模型的选择对模拟准确度的影响十分明显.Realizablek-e湍流模型能够有效地模拟旋转均匀剪切流、带分离流动等.因此，选择标准Realizablek 模型对雷诺时均方程组进行封闭，采用有限体积法对空间域上连续的控制方程进行离散.压力项采用SecondOrder格式,其他项均采用SecondOrderUpwind格式.采用滑移网格模型模拟“导叶-转轮-尾水管”两级动静干扰流场.设置进出口条件分别为质量流量进口和自由出流.假设壁面为水力光滑壁面,近壁区施加无滑移边界条件15.计算时间步长取At=0.01s，每个时间步长内zui大迭代20次,以确保每个时间步内计算收敛,计算总时间为10s.

四、模型验证

广一水泵厂为了验证数值模型的可靠性，首先根据哈尔滨大电机研究所提供的模型试验数据（试验水头Hm为30m,对应真机水头Hp为190m)确定7个定常数值计算工况.通过计算得到了进口压强出口压强_pout和计算水头H。，见表1,表中Qu和nu分别为单位流量和单位转速。

通过定常数值计算，当模型广一管道泵的导叶开度a。分别为21,25,29,33,37,41,45mm时，相应的计算水头相对误差为2.25%,5.76%,3.79%,0.76%,0.51%,0.67%,3.86%,平均误差为2.51%.数值计算水头与试验水头两者吻合度较高，说明了数值模拟方法可行。

五、增负荷过程尾水管内流态分析

1.压力变化

广一水泵厂为了了解尾水管内静压变化情况，在转轮与尾水管交界面处、肘管内侧和扩散段内设置3个压力监测点（A,P2,P3),如图2所示；非定常计算时记录每个测点的静压随时间的变化值.图3为各监测点瞬时静压随时间的变化历程.

由图3可知,增负荷过程中，随着导叶开度的增大，整个过程中尾水管内各测点静压变化规律基本相似.当t=0~0.9s时，静压有一个快速上升的过程,3个测点静压突增量的平均值达到了28.00kPa,说明了该时间范围内，由于开度变化打破了恒定开度下流道内相对平稳的流动状态，流场迅速地出现不稳定特性并波及尾水管内，从而引起尾水管内压力的突增.当t>0.9s时，各点静压趋于稳定，仅呈现出小幅度的波动特征，此时尾水管内静压波动平均值不超过9.76kPa.总体上，整个过程中，尾水管内静压仅在0~0.9s有突增现象，之后基本维持稳定。

2.尾水管内流场

水轮机工况下，经动静干扰作用后的水流从转轮出口进入尾水管，以自由旋涡的形态螺旋式下泄16,因此水流圆周速度的大小可以在某种程度上反映尾水管内旋涡结构的能量特性.为了便于进行流场分析，取t=0.5,4.5,7.5,10.0s共4个特征时刻进行研究.

图4为不同时刻下，特征断面Plane-1上（其位置如图2所示）圆周速度随半径的变化曲线.可以看出,=0.5s时刻，由于活动导叶开度和流道内流量都较小，特征断面处（0~0.4)r/及（相对半径）的较大范围内圆周速度u均接近于0,易在中心区形成死水域;而在（0.4~0.9)r/及范围内u急剧上升，在0.9r/及处达到zui大值（约为0.75m/s),之后由于受到固体壁面的作用而迅速下降.负荷增大过程中，流量快速增大,沿半径方向的变化梯度逐渐减小，值的分布逐渐均匀，当t=10.0s时刻，尾水管轴线处u接近0.2m/s,而0.9r/及处的zui大值约为0.55m/s,小于t=0.5s时刻的zui大值，说明大开度下尾水管内半径方向速度分布对称性较好，流态比小开度下的好大的变化过程.t=0.5s时刻，存在一个较大面积近似椭圆形的负压中心区，伴有明显的偏心，这将引起水流的旋转运动，形成尾水管低压涡带.整个断面总压值从负压中心到尾水管壁面逐渐增大.t=4.5s时刻，中心负压区压力值突增到440Pa左右,整个断面压力分布较为均匀;t=7.5s时刻，中心负压区消失，压力从肘管内侧到外侧逐渐升高，这种类似层状的压力分布形式在t=10.0s时刻更加明显，这是由于广一管道泵流量增大，主流在肘管处受壁面冲击作用，强制转弯而减速，造成肘管内侧出现低压、低速度区。

易导致机组轴向力和转轮出力的波动117,这是由于偏心涡带的螺旋运动和回流涡结构的共同作用而导致的.t=4.5s时刻，回流涡结构合并为1个，向下移动到近肘管外侧的特征断面附近，此时其体积相对减小很多.而随着流量的继续增大，锥管、肘管和扩散段前段内均未发现有明显的回流涡结构的存在.可见,大开度、大流量下尾水管内流动相对稳定平缓.但是，开度过大运行条件下会导致转轮出口负环量的增大，继而导致转轮和尾水管内水力损失的增大，因此广一水泵水轮机应当尽量避免在偏移设计工况太远的条件下运行.

六、结论

基于Fluent软件动网格模型，广一水泵厂成功模拟了增负荷（导叶开度变化、流量增大）过程水泵水轮机尾水管内的瞬态流场.在此基础上，重点对尾水管内的流场特性做了研究结果表明：

（1）活动导叶开度突然增大过程中，尾水管内压力突增仅发生在开度变化的0~0.9s范围内，压力变化平均值达到了28.00kPa.0.9s以后，压力趋于稳定，波动平均值不超过9.76kPa.

（2）开度变化的初始阶段,锥管段内存在明显的偏心涡带和2个较大的回流区，容易引起轴向力和机组出力的波动；当流量增大到一定值后，偏心涡带和回流区消失，说明流量的增大使得尾水管内流动更为顺畅，但*在大开度下运行对于机组保持较高的水力效率是不利的。

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