变顶高尾水洞大型水电站运行稳定性研究

本项目是从水力学、控制理论和模型实验等基本理论出发，研究大型水电站变顶高尾水洞和水轮机调节系统的工作特性，以及两者的相互影响，从而解决变顶高尾水洞大型水电站机组运行的稳定性。突破变顶高尾水洞这一关键技术，取代尾水调压室。该技术的推广应用，将促进我国水电建设的发展，提高水电站的设计水平，具有显著的经济和社会效率。. 2100433B

大型乃至巨型水轮机组，其尾水管引起的水力振动对其稳定性影响越来越大，但对其内部的运动规律，尤其是在非稳态工况下，水轮机尾水管涡带、压力脉动等水力现象及其诱发机组的振动机理还有许多不明确处，因此，对大型混流式水轮机尾水管水力振动进行研究成为目前亟待解决的迫切问题。 本项目通过开展大型混流式水轮机组不同工况下尾水管水力振动试验及对水轮机内部进行非定常并行数值模拟等研究手段对大型混流式水轮机瞬态过程现象进行深入分析研究，并得到以下成果： (1)推导建立了具有角加速度的旋转参考坐标系下的控制方程，结合转轮旋转平衡方程，给出了相应新的源项形式。构建了混流式水轮机三维非稳态湍流数值模拟的程序算法。 (2)通过对水轮机以尾水管涡带运动的分析，认为其运动的主体为螺旋涡管运动，其影响范围随工况的不同而不同。且旋涡在演化过程中，其涡核位置随机变化，但最终稳定在一个特定位置。且尾水管内旋涡能量集中区域，高涡量区主要存在于靠近壁面半径的前1/3处，并且随时间变化围绕横截面中心运动。 (3)进行了模型水轮机的压力脉动试验。结果表明：保持水头、单位转速一定，只改变导叶开度，压力脉动幅值随导叶开度的增大而减小。实测的3种开度工况下，压力脉动成分均含涡带频率、旋转频率及倍频。当保持水头、开度等一定，而只改变单位转速条件下，压力脉动相对幅值随单位转速的减小而减小，压力脉动成分只以旋转频率和其倍频为主，实测的数据与理论吻合较好。 (4)设计出1种含有涡流发生器的新型试验尾水管，对涡流发生器的机理进行一定的研究。运用壁面函数法建立全流道结构网格，用SST模型对其进行数值计算，分别以涡产生截面和涡开始发展截面作为涡流发生器叶片的安装截面，计算出尾水管各工况下的能量恢复系数，找出了涡流发生器的最优安装方法． 同时，本项目成果荣获大禹水利科学技术奖二等奖一项，发表SCI、EI论文5篇，其它学术论文共13篇 ，申请专利5项，指导博士后1名，博士2名，硕士3名。成果推广后，社会经济效益显著。

大型乃至巨型水轮机组，其尾水管引起的水力振动对其稳定性影响越来越大，但对其内部的运动规律，尤其是在非稳态工况下，水轮机尾水管涡带、压力脉动等水力现象及其诱发机组的振动机理还有许多不明确处，因此，对大型混流式水轮机尾水管水力振动进行研究成为目前亟待解决的迫切问题。在前人研究的基础上，拟通过实验、数值计算和理论分析相结合的总体技术路线，深入研究大型混流式水轮机尾水管在各种不同的非稳态工况下的内部流动规律，转轮出口流动参数、尾水管涡带与压力脉动的相关性，揭示出一些规律性内容，建立尾水管水力振动原模型相似规律，构建诱发尾水管水力振动的理论框架和数学模型，提出改善水轮机尾水管水力振动的方法。从而为进一步分析诱发机组振动的机理和建立尾水管水力振动数学模型提供依据，为我国大型混流式水轮机组的选型设计和安全运行提供系统性的理论和实践依据。

水电站无压尾水洞引风技术及应用共分10章，分别介绍了水库水温分布的预测方法、无压尾水洞引风热湿交换特性的现场测试及模拟试验、无压尾水洞引风热湿交换过程的理论模型及其热湿交换特性、长无压尾水洞引风过程的简化模型及其热工计算方法、有限长度无压尾水洞引风过程的改进模型、热工计算方法及引风参数二次喷淋控制技术，最后在理论研究基础上对无压尾水洞引风技术的工程应用进行了介绍。本书可供广大从事水电暖通空调专业相关技术人员参考，也可供从事建筑环境与设备工程专业研究生与本科生阅读。利用无压尾水洞引风对电站厂房进行通风空调是水电工程中一种特有的天然冷源利用方式，具有节能、环保和可再生的优点。本书结合当前无压尾水洞引风技术的研究与应用现状，对无压尾水洞引风技术的理论进行了系统、全面的阐述。