1　流场计算

1.1　计算模型及监测点的设置

为了对贯流式水轮机内部的流动状态进行充分研究，本文以高邮黄茅峡电站为例，进行了数值模拟计算。通过建模软件UG建立了包括进水流道、导叶、转轮以及尾水管的贯流式水轮机模型，计算模型如图1所示。该电站的主要参数：额定水头为4.2m，额定转速为136.4r/min，额定流量为62.7m3/s，转轮直径为3.0m，转轮叶片数为3片，导叶数为16片。

图1　灯泡贯流式水轮机数值模拟计算模型

为了监视灯泡贯流式水轮机内部的压力脉动特性，而转轮是贯流式水轮机内部最重要的部分，转轮部分能否稳定运行就决定了整个水轮机在某工况下的运行状态，因此在转轮的进口[12-13]，沿着轮毂至轮缘方向设置了P1、P2、P3这3个监测点，在转轮的出口部分，沿着轮毂至轮缘方向设置了P4、P5、P6这3个监测点。监测点的设置如图2所示。

图2　监测点的设置

1.2　工况点设置以及可靠性分析

为了对水轮机的不同工况进行研究，从已有的模型综合特性曲线选取了5个工况进行数值模拟研究，其中包括了额定工况以及效率最高点对应工况。5种协联工况参数分布见表1。

表1　5种协联工况参数分布表

不同工况下，数值模拟的效率与参考效率之间的差值有所差距，在不断偏离工况1即效率最高点的情况下，水轮机的效率下降幅值逐渐增加，但整体效率控制在5%之内，由此可以证明CFD数值模拟计算在稳态计算中的可靠性。

1.3　水轮机内部流态分析

为了能够更直观地分析贯流式水轮机内部的流动情况，以效率最高工况为例，从水轮机的流线分布、压力分布两个方面入手分析其内部特性。流道流线图如图3所示。

图3　流道流线图

从图3中可以看出，水轮机内部的整体流线分布较为均匀，由于转轮的高速旋转，在转轮部位的流速是最大的，由水轮机转轮转动引发的环量使得水轮机尾水管内部的流线分布有些紊乱，这些紊乱的流线说明在尾水管内部产生了一些涡带，这些涡带对水轮机的运行性能会产生一定的影响。图4所示为叶片正背面压力云图，该图也反映了由于转轮的旋转，转轮叶片的正背面存在着明显的压差，该叶片正面有着明显的3个等级，叶片背面也存在着明显的2个等级。作为水轮机的做功部件，压差的大小即代表了做功能力的强弱。

图4　叶片正背面压力云图

图5所示为叶片翼型相对及绝对流线图，相对于转轮而言，流线为从翼型的前端按着翼型的方向流动，而相对于进、出口而言，流线为从转轮的进口方向流向转轮的出口方向。

图5　叶片翼型相对及绝对流线图

该水轮机在稳态计算时具有较好的性能，其运行效率高，水轮机内部流线流畅，分布均匀。转轮内部流线平滑，并且做功性能好。