转轮及导叶流域固液两相流研究.pdf

Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.006转轮及导叶流域固液两相流研究李琪飞1,李占勇,谢耕达,刘思琦，韩天丁1（1.兰州理工大学能源与动力工程学院,甘肃兰州7 3 0 0 5 0；2.甘肃省流体机械及系统重点实验室，甘肃兰州7 3 0 0 5 0；3.西华大学流体及动力机械教育部重点实验室，四川成都6 10 0 3 9）摘要：为了研究灯泡贯流式机组内流状态和磨损规律基于欧拉-欧拉法中的Particle非均匀相模型,对不同固相直径、浓度、导叶开度下水轮机固液两相流工况进行计算。结果表明，固相高浓度区集中在转轮域和尾水管进口处，且随着固相直径和浓度的增加而增加。随着固相直径和浓度的增加,导叶域表面压力、固相速度、固相浓度分布均增加,导叶背面更易发生磨损。在转轮域，固相高浓度区分布在叶片正面轮毂处和进水边，叶片背面整体固相浓度分布较高，且表面固相速度、浓度分布与固相直径和入口浓度呈正相关。关键词：灯泡贯流式水轮机；固液两相流；浓度；欧拉法中图分类号：TH137;TK734Study of Solid-liquid Two-phase Flow in Rotor and Guide Vane BasinLI Qi-fei2,LI Zhan-yong,XIE Geng-da,LIU Si-qi,HAN Tian-ding(1.School of Energy and Power Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou 730050,China;2.State Key Laboratory of Fluid Machinery and Systems,Lanzhou 730050,China;3.Key Laboratory of Fluid and Power Machinery,Ministry of Education,Xihua University,Abstract:In order to study the internal flow state and wear law of the bulb cross-flow unit based on the Particle non-uniform phase model in theEuler-Euler method,the solid-liquid two-phase flow conditions of the turbine are calculated under different solid phase diameters,concentrations and guide vane openings.The results show that the high solid-phase concentration area is concentrated in the runner domain andthe inlet of the tail pipe,and increases with the increase of solid-phase diameter and concentration.With the increase of solid phase diameterand concentration,the surface pressure,solid phase velocity and solid phase concentration distribution in the guide vane domain increase,andthe back side of the guide vane is more prone to wear.In the rotor domain,the high solid phase concentration area is distributed at the hub ofthe front side of the blade and at the inlet side,and the overall solid phase concentration distribution at the back side of the blade is higher,and the surface solid phase velocity,concentration distribution is positively correlated with the solid phase diameter and inlet concentration.Key words:bulb tubular turbine;solid-liquid two-phase flow;concentration;euler method0引言在我国主要河流和支流上修建的大型水电站，因库容大小、运行年限和工程排沙方式等因素，导致了水轮机过流件的磨损。在现实工程中,空蚀和磨损二者交互作用,导致严重的后果。在我国现有的10 0 多个中大型水电站中,约3 8%的机组泥沙磨损和空蚀都比较严重 。磨损破坏会导致水轮机组的效率降低、振收稿日期：2 0 2 3-0 5-12基金项目：国家自然科学基金（5 2 0 6 6 0 11)作者简介：李琪飞（19 7 5-），男，甘肃靖远人，副教授，博士，研究方向为抽水蓄能。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 4-0 0 3 7-11Chengdu 610039,China)动、噪声、维修成本高昂，对水电站的安全、经济运行构成了极大的威胁 2 。我国有大量的含沙河,对此问题尤其严重，尽管近年来在各方努力下，已进行了大量的理论试验,并获得了一定的成果，但现有的研究,无论是在理论依据还是在实践中，都与现实需求有较大的差距,尤其是在水沙两相流动的基础科学问题,以及水沙两相流动的作用机制，尚缺乏深人的研究。应积极进行两相流动的理论试验，对保护材料和措施进行深人的研究,并对其进行优化设计 3 。葛新峰等 4 采用拉格朗日颗粒跟踪模型对两叶片超低水头下灯泡贯流式水轮机固液两相流的研究，得出泥沙颗粒对于漩涡有增强作用，因此机组应避免在小开度工况下运行。彭笙洋等 5 采用涡分析法对贯流式水轮机中的固液两37液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期相流进行了研究，得到了导叶及转轮区域内的涡量分布。韩伟等 6 对水轮机导叶端面间隙携沙水流进行了非定常数值模拟，得出了不同磨损阶段主要磨损面的平均磨损率分布,并建立了关于平均磨损率与磨损时间的数学模型及近似解。吴伟章等 7 在两相流模型的基础上利用两相流瑞流模型对水轮机内部磨损进行了预测。SUH S H等 8 对混流式水轮机转轮不同人口固相浓度下的泥沙侵蚀进行了预测，结果表明侵蚀位置主要发生在转轮叶片的压力侧。NEOPANE等 9 研究发现泥沙磨损与泥沙形状、浓度、粒径和水轮机工况有关，通过在最佳效率点运行，可以降低磨损率。NISHI等 10 对不同叶片数的贯流式水轮机性能及流场进行研究,研究结果表面，与2 4 叶片相比,8叶片水轮机效率较高。YANG等 I提出了在保证转轮主尺寸不变的情况下，对灯泡贯流式水轮机叶片进行修正的方法,在修正方法中,转轮叶片用一组坐标点表示,对其中一个坐标固定，根据不同的修改目的只改变点的角度。FERRRER12给出了用于风力和潮汐能发电的轴流式水轮机叶片-尾流相互作用现象的解析,推导了叶片式水轮机的极限情况,并将其推广到更常见的三叶片水轮机内。1设计流程及模型建立选择南平峡阳水电站的灯泡贯流式水轮机作为本课题的物理模型,具体参数如表1所示。表1贯流式水轮机参数Tab.1Parameters of cross-flow turbine参数名称数值叶片数/个4活动导叶/个16转轮直径/mm5500桨叶转角范围/）7 43导叶转角范围/(）14 75尾水管进口的直径/mm5588尾水管出口的直径/mm9305额定水头/m6.85真机额定转速/rmin=185.71额定流量/m s=1246.7438为实现本研究目标,利用三维建模软件Pro/E,对全流道进行三维建模。三维全流场模型从左到右依次为进水流道、灯泡体、导叶、转轮、尾水管。整个水轮机的长度是5 2 3 0 0 mm，以X轴为基准,前半段为2 4 8 0 0 mm，后半段为2 7 5 0 0 mm。由于机组的体积较大，模型的建立需要精确、细致,其整个过流部件如图1所示。进水流道灯泡体导叶转轮图1灯泡贯流式水轮机模型Fig.1 Bulb cross-flow turbine model为了满足适应复杂物理边界条件的要求,采用了结构化网格划分,因为灯泡贯流式水轮机其叶片形状较为扁平，且扭角较大，叶片的轮缘与转轮出口边缘均较薄,所以采用了非结构化网格,活动导叶与转轮非结构化网格如图2 所示。图2 贯流式水轮机网格划分Fig.2Mesh generation of cross-flow turbine灯泡贯流式水轮机过流部件表面曲率较大，在进行网格划分时，为避免网格疏密程度对数值计算结果产生影响，对灯泡贯流式水轮机进一步研究前应进行网格无关性验证。对浆叶开度为2 2，导叶开度为5 4 的协联工况，计算效率和实际运行效率的对比，数值计算中采用了6 种网格。计算结果表明：当网格个数大于8 5 0 万时,数值计算效率和真机效率之间的误差趋尾水管界面网格采用GGI连接方式，采用无滑移壁面条件。Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024于稳定；通过计算最终确定了网格数约8 5 0 万。P一介质压力T一一作用微元体表面上的黏性力4.2m,n单位向量4.02.2边界条件在清水工况，流体介质为水，温度为2 9 8 K。设置3.8质量流量进口,出口采用自由出流，流模型采用RNG3.6k-。设置转轮区为旋转域,其他区域为静止域。在进行非定常计算时，动静交界面为瞬态冻结转子类型，交3.4167网格数量/百万图3 网格无关性验证Fig.3 Mesh independence verification2数值模拟方法2.1欧拉-欧拉双流体模型欧拉-欧拉法的连续相与离散相同时用N-S方程计算，不需要对离散相进行单独计算，适用于颗粒拟流体的两相流计算模型。求解控制方程如下：液相质量守恒方程：+(pu,)=S=-Znmmkatax,固相质量守恒方程：ankat液相N-S方程：+tApgi+2P:(u:-0,)固相N-S方程：n(一V+nig;+nVatnjm;(v;-Vi)mlx;L式中，p一酒流体介质密度一时间V一速度矢量8dpax;TFK.ME+mhank9ankVkkax;+v,S+FMiTilVknkdnk1011收敛精度设置为1.0 10-5，时间步长为0.0 0 5 8 3 3 6 2 s，转轮旋转3 所用的时间，瞬时计算转轮旋转6 个周期，总求解时间为4.2 0 0 2 2.s，瞬态计算设置收敛判据为110-4。在计算固液两相流时,采用欧拉-欧拉法中的Particle非均匀相模型。计算工况为导叶开度5 8，桨叶开度2 2。设置固相颗粒密度为2 6 5 0 kg/m，颗粒体积浓度为1%，3%，5%，颗粒直径为0.0 1，0.0 5，0.15mm。对离散相采用零方程模拟，曳力相采用Gidaspow，湍流耗散力选用Favreaverageddrag force模型,耗散系数取0.9,湍流输送模型使用Sato EnhancedViscosity,采用SIMPLEC算法求解压力速度耦合。动(1)量交换考虑拽力，并使用SchillerNaumann函数模型，不考虑升力、虚拟质量力及壁面润滑力的影响。固相设置为自由滑移,液相采用无滑移边界条件。先进行定常计算，然后将此结果作为初始值，再进行固液两相非定常计算。(2)3可靠性验证为了保证数值计算与真实流动相吻合，本研究选+择了桨叶开度为2 2 选取导叶开度为5 0 6 2 的7 个工况点，对其进行数值计算，并将计算结果与真机试验和模型机试验结果的效率曲线对比，从而确定了本研(3)究数值模拟的可靠性。在数值计算结果中，效率呈现出先增大后减小的趋势，但是与真机试验的结果一致。在导叶开度为5 2 时,数值计算得到的效率与模型试验的差异最大，但是两者都在合理误差范围内（6%），这说明数值计算是+准确可靠的。从图4 中可以看到,真机试验的效率值高于数值计算的效率值，受到水轮机模型按比例缩小时将局部水力损失加大的影响，数值计算的效率值略(4)高于水轮机模型在T5试验台的效率。试验结果与数值计算结果比较表明，本研究所建立的水力模型具有较高的精度，数值计算与端流模型具有较高的可信度。39液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期9594%/率9392919050Fig.4Efficiency curve4数值分析4.1不同固相直径的固液两相流数值计算图5 所示为不同固相直径下灯泡贯流式水轮机XY平面压力分布。从图中可以看出不同固相直径下水轮机整体压力分布情况为进口段大于出口段，水流经过导叶和转轮,将动能转化为机械能,压力降低，并且在尾水管处产生负压区，在尾水管出口处压力增大。在固液两相流条件下,XY平面的最大压力值均高于在清水条件下的最大压力值,固相颗粒的存在增大了水轮机进口压力，加入固相颗粒后增大了混合流体介质密度,使得水轮机进口处的质量流量增大。直径为0.01mm的压力值最大，比清水工况增加4 5 5 9.9 4 Pa。相较清水工况尾水管处的负压区域增加，说明加人固相颗粒后，尾水管更易产生空化、涡流等现象。随着固相直径的增大，水轮机XY平面内部最大压力值下降，这是由于固相粒径的增大使得颗粒运动所需的能量增加，从而消耗了部分压能。PressurePald=0.01 mm图5 XY平面压力分布Fig.5XY plane pressure distribution图6 所示为XY平面液相速度分布图，不同固相直40径下液相速度分布大致呈现对称状。液相速度较大处一一真机试验分布在导叶区、转轮处以及尾水管靠近壁面处。由于模型试验一数值计算5254565860导叶开度/()图4 效率曲线PressureIPald-0.05 mm灯泡体两侧为收缩流道，过流面积减小，液相速度在此处增大，随后经过导叶区过流面积进一步减小，速度进一步增大，在转轮区随着转轮高速旋转,由于离心力的作用液相速度达到最大，液体在进人尾水管时还具有一定的速度环量,因此在靠近尾水管壁面的液相速度较大。随着固相直径的增加,XY平面液相最大速度呈略微减小趋势，从19.8 3 2 m/s减小到19.8 2 7 m/s。这62是由于固相直径越大,受到的惯性力就越大，固相速度的变化滞后于液相速度的变化,直径越大滞后越明显，对液相速度的影响就越大。可以发现在固相直径为0.15mm时尾水管靠近进口处的液相高速区消失。Fuli 1.veloltyma1d-0.01 mm图6 XY平面液相速度分布图Fig.6XY plane liquid phase velocity distribution diagrampanicle.Volume FractionPressurePald-0.15 mmFuid 1.Veioctyd=0.05 mmpanicleVolumeFractond-0.01 mmd-0.05 mm图7 XY平面固相浓度分布Fig.7XY plane solid phase concentration distribution图7 所示为灯泡贯流式水轮机XY平面固相浓度分布图。可以看出固相高浓度区主要集中在转轮区，尾水管进口处，说明这些部位容易出现磨损现象。可以看出固相直径为0.0 1mm时XY平面固相浓度分布比较均匀，这是由于固相直径越小，自身的惯性力就越小,从而受到液相流场的作用较大,因此固相浓度分布均匀。随着固相直径的增加，靠近轮毂和尾水管处的固相浓度以及高浓度区面积也有所增加,这是由于固m1Fui t.Volbcityd-0.15 mmpanide.Volume Frctiond-0.15 mm进水侧，且随着固相直径的增加，固相分布面积以及浓Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024体颗粒进入尾水管，失去转轮离心力的作用，动能一部过渡比较均匀。导叶正背面整体固相速度随颗粒直径分转化为了压能,直径大的固相受到自身惯性影响较的增大而增大,从11.2 18 m/s增大到11.7 2 3 m/s。大,液相对其裹挟作用变弱,更容易聚集在轮毂，靠近paricie.velocity11.21810.115尾水管处。在固相直径为0.15 mm时,尾水管靠近壁9.0127.9086.805面处的固相浓度也偏高，这是由于受到尾水涡带的影5.7014.598响，靠近尾水管壁面处的流态比较紊乱，水流对固相颗3.4942.3011288粒的作用减少，颗粒无序性较强，容易在此处发生0.184淤积。pantide.Velocty11.2184.2尾水管各截面特性分析10.159.012图8 所示为不同固相直径下导叶正背面压力分7.9086.8055.701布,可以看出导叶正面整体压力值高于导叶背面，正面4.5983.494压力分布从导叶进水边到出水边逐渐减小，压力值最2.3911280.184小处出现在导叶出水边；导叶背面压力值最高出现在前缘处，且从导叶前缘至根部，压力分布逐渐减小，这是由于轮毂处导叶叶型曲率大,水流突然由轴向转变为径向,因此最低压出现在叶片背面靠近轮毂处。根据前文分析对比发现固液两相流工况导叶正背面最大压力值均大于清水工况,并且随着颗粒直径的增加，导叶整体压力值也随之增加，从9 9 114.3 5 2 Pa增大到99298.875 Pa。Presune991435287596.65676078.96164561.26653043.5704152583308.18918490.4946972.803-16062.584-4544.891IPalPressure9914.35287596.65676078.96164561 26653043.57041525.8833008.18918490.446972.803-44.891IPal-16062.584图9 所示为不同固相直径下导叶表面固相速度分布，整体来看，导叶背面固相速度分布高于导叶正面。在导叶正面,固相速度从导叶进口至出口逐渐增大,在靠近轮毂处达到最大值，这是由于水流经过导叶时，方向有一定角度的转弯,受到转弯离心力的作用，导叶正面出口靠近轮毂处速度大于靠近轮缘处；在导叶背面，靠近轮毂处固相速度最高，且从导叶根部到前缘处固相速度呈现减小趋势，轮毂流面流速与轮缘流面流速paricle,Vvelocity1134510.2269.1087.9906.8725.7534.6353.5172.30912810.162ms-1d-0.01 mmpatice.Velocty11.34510:2261087.906.8725.7534.6353.5172.30912810.162d-0.01 mm图9 导叶正背面速度分布Fig.9Velocity distribution of the front and backof the guide lobe图10 所示为不同颗粒直径下导叶表面固相浓度分布，可以看出导叶背面整体固相浓度分布大于正面。导叶正面固相浓度分布均匀,浓度值范围基本在设定进口浓度3%处。导叶背面最大固相浓度分布在靠近PressurePressure99264.71999298.87576116.40687690.56364542.2465298:09041393.94129819.78518245.6296671.477-4902.678-16476.832d-0.01 mm(PalPiresure99264.71987690.5837611.40664542.24652968.09041383.94129819.78518245.6296671477-4902.678IPal-16476832d=0.01 mm图8 导叶正背面压力分布Fig.8 Pressure distribution on the front andback of the guide lobeparicie.velcity11.72310.5579.3828.2267.0615.8984.7303.6652.40012340.069d-0.05 mmd-0.15 mm正面panicke-veiocty11.72310.5579:3928.2267.0618.8964.7303.5662.4001.24d=0.05 mmd-0.15 mm背面87704.887110.50064516.30952922.12141327.94129733.75418139.5666545.383-16642.988-5048.803d=0.05mmIPl正面87704.887611050064516.3095292212141327.9412973.75418139:5066545:383-5048.809-16642.988d-0.05 mm背面度均增加。磨损程度通过经验公式可知与固相浓度以及固相速度有关，结合导叶处的固相速度分布以及固相浓度分布来看，在导叶背面处更容易发生磨损，且磨d=0.15 mm损程度随着固相直径的增加而增加。panidevolume Fractionpanicle.Volume Fracticon0.03060.0410.03050.0400.03050.0390.03040.0370.03030.0360.03020.0350.03020.034d-0.15mm0.03010.03000.03000.0299particle.Volume Fraction0.03080.03050.03050.03040.03030.03020.03020.03010.03000.03000.0299Fig.10Solid phase concentration distribution onthe front and back of the guide leafpanicle.Volume Fracton0.0410.400.0390.0370.03860.0350.0340.0320.0320.0310.0310.0300.0300.0290.029d-0.01 mmd=0.05 mm正面paricde.VolumeFractlion0.0410.0400.0390.0370.0360.0350.0340.0320.0310.0300.029d=0.01 mm图10 导叶正背面固相浓度分布d-0.15 mmparticle.Volume Fracion0.0410.0400.0390.0370.0360.0350.0340.0320.0310.0300.029d=0.05 mm背面d=0.15 mm41液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期4.3尾水管各截面特性分析图11所示为不同固相直径下叶片中间截面沿流线方向的压力分布图,可以看出,与清水工况相比,加入固相颗粒后叶片背面进水侧会产生较为明显的脱流,空化性能较差,叶片工作面出水侧压力值较低，这是由于回流产生的影响。不同固相直径下叶片正背面压强变化趋势一致，且正面压强分布整体大于背面。叶片正面压强沿流线方向逐渐降低，背面沿流线方向逐渐增加。两相流工况的密度大于清水工况，因此两相流工况下的叶片工作面压力均大于清水工况,并且因为固相颗粒进入叶片进口处，部分颗粒与叶片进口处碰撞后速度减小，此时颗粒的动能转化为对叶片的压能导致压力略微增加。在叶片工作面随着固相直径的增加，碰撞损失的能量越多，对流体的阻碍效果越明显，在流动过程中产生较多的压降损失，固相直径的增加还会使流道内的摩擦损失增大，从而降低了流体所具有的能量,因此随着固相直径的增加压能略微减小。固相直径的变化对叶片背面压力分布影响不大,能够发现,在两相流工况下,叶片正背面的压差都比清水工况下的要大。100000叶片工作面0.05 mm500000.15mm清水0/-50000-100000-150000-2000000.0图11导叶正背面固相浓度分布Fig.11 Pressure distribution along the flow linein the middle section of the blade图12 所示为不同固相直径下叶片表面固相速度分布图,整体来看,叶片表面固相速度从轮毂到轮缘处逐渐增加,在叶片工作面靠近轮缘处的固相速度最大，叶片背面进水边头部的固相速度最大。随着固相直径的增大,叶片表面固相速度也随之增加，固相粒径越大,其所受的离心力越大,所具有的速度也更大。4.4不同导叶开度下灯泡贯流式水轮机熵产分析灯泡贯流式水轮机各个过流部件的熵产占比如图13所示，可以看出转轮部分为熵产的主要区域，占全部熵产的8 2.2 1%，各部件平均熵产率由大到小分别为转42轮区、导叶区、尾水管区、灯泡体熵产率最小。从图14可以看出,随着导叶开度的增加,导叶区熵产率逐渐降低,这和前文理论分析的随着导叶开度的增大,水流在导叶进口处的冲角减小，导叶区水力损失减小一致。随着导叶开度的增加,转轮区平均产率逐降低,这是由于在小开度工况下,转轮进口水流冲角较大，水力损失也会更大，因此熵产率逐渐增大，导叶开度由5 0 增加到5 8 时,转轮进口水流冲角逐渐减小，水力损失也逐渐减小。尾水管区域的产率随着导叶开度的增加呈现增加趋势。尾水管段的水力损失很大程度上取决于转轮出口环量和流量。随着导叶开度的增加可以看出尾水管区平均熵产率也逐渐增加，这是由于随着导叶开度的增加（流量增加）,转轮出口处负环量增加,并且大开度工况下尾水管区域的涡量增加，流耗散增加，使出口段熵产增加，与前文分析的能量耗散趋势一致。particle.velocity19.58317.63815.69313.74811.8039.8587.9135.9884.0232.0780.133ms-1d-0.01 mm0.01 mmparticle.Velocity19.58317.63815.69313.748叶片背面11.8039.8587.9135.9684.0232.0780.133d-0.01 mm0.20.4流向/mmparticle.Velocity19.63217.68315.73513.78611.8379.8897.9405.9914.0422.0040.145ms-1d-0.05 mm正面particle.Velocity19.63217.68315.73513.78611.8379.8897.9405.9914.0422.0940.145(ms1d-0.05 mm0.60.8paricle,Velocity20.20018.18716.17414.16212.14910.1368.1236.1104.0982.0850.072ms-1panicle,Velocity20.20018.18716:17414.16212.14910.1368:1236.1104.0982.0850.072ms-1d=0.15 mm1.0背面图12 叶片表面固相速度分布Fig.12Blade surface solid phase velocity distribution1413.7618转轮X/M率研20Fig.13Average entropy yield of each turbine componentd-0.15 mm13.136512.27961.83508,1.80684导叶1.59920.817860.67390.00370.005185054导叶开度/()图13 水轮机各部件平均炳产率1.49707灯泡体0.0046158尾水管Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024转轮区这是因为水流进入转轮域，周向速度分量增大，速度环量增大,水流在转轮区旋转撞击，紊流现象加剧，导致82.21%能量耗散增大。流体进入转轮后对叶片进口产生了撞击,造成较大的能量损失。在叶片中部位置未出现尾水管产区，说明此处流动损失很小。随着导叶开度的增大，一灯泡体5.48%0.02%12.29%导叶图14 轮机各过流部件炳产占比Fig.14Percentage of entropy production of eachoverflow component of hydraulic turbine图15 所示为同导叶开度下导叶中间截面熵产率分布图，可以看出高产率主要分布在导叶进出口，轮毂附近位置。随着导叶开度的增加熵产程度逐渐减小，这是由于导叶开度由5 0 增加到5 8,其进口冲角逐渐减小，导致此处产生的水力损失越小。导叶开度为50时,导叶进口水流冲角变大，其出口形成的环量较大，流线方向变化剧烈，引起的水力损失较大，并且水流经过导叶后，轮毂和轮缘处圆周速度差异明显，形成速度环量不同步。在中间流道水流旋转同步性差，水流紊乱程度增强，瑞流耗散增大，因此小开度工况下导叶中间截面熵产率最高。产率50.00045.00040.00035.00030.00025.00020.00015.00010.0005.0000.000WmA-3K-1Fig.15Distribution of intermediate entropy yield图16 所示为同导叶开度下叶片正背面熵产率分布，可以看出叶片正面熵产主要集中在叶片头部进出水边,背面产主要集中在叶片轮缘处和出水口处。叶片正面熵产率分布面积逐渐增大，这是由于导叶开度的增大,进口流量增加，由前文分析叶轮流道内的流速增加,使得壁面剪切效应增强,叶片进口处的黏性耗散增加。叶片背面熵产率区域随着导叶开度的增加逐渐减小,尤其是在叶片出口边。经前文分析，小开度工况下在叶片进口处由于流体从导叶出口的流动方向与叶片前缘不相切,进口存在较大的冲角，水流冲击吸力面，使得叶片吸力面产生流动分离和低速流区，在这些区域内积累了大量动能，造成局部损失。梅产800.0007200.006400.005600.000480.004000.0003200.002400.001600.080.000.000Wm-3K1800.0720.00500006400.0004800.00400.0032002400.00炳产率100.0050.00080.0045.00040.00035.00030.00025.00020.00015.00010.0005.0000.000Wma-3 K-150摘产率50.0045.00040.0035.00030.00025.00020.00015.00010.0005.0000.000WmA-3 K-1图15 导叶中间焰产率分布of guide vane第产事800.00720.000840:000560004800.000400003200:0002400.00180000800:000.001Wm-3K1(a)500第产800.007200.006400.00050004800.004000.0032000240.001600.0080:0000.000(Wm-3 K-1(a)50图16 正背面焰产率分布Fig.16Entropy yield distribution of front and back side图17 所示为不同导叶开度下尾水管XY平面产54率分布，可以看出在导叶开度为5 8 时尾水管熵产率分布较高的区域集中在进口位置，由于在转轮进口处形成卡门涡街，此处水流波动较大，稳定性差，并且转轮出口水流流速较大，导致尾水管进口处瑞流耗散增大。靠近壁面的产值也较高，到尾水管出口部位逐渐减小。因为水流从转轮中高速出流后，会在尾水管中逐渐减速升压,尾水管可以起到回收尾水能量的作用,尾58水管前段速度变化较大，受到壁面黏性的影响，在尾水管进口壁面位置产生较大的黏性耗散，所以该处熵产率高。经前文分析，导叶开度为5 8 工况下尾水管进口壁面处漩涡较大，这表明，尾水管人口圆周速度分量较大,从而造成流耗散的增加，由于壁面黏性作用和流耗散共同作用，并且5 8 工况下靠近壁面的流速高于其他两个工况，尾水管入口处壁面撞击损失和湍流耗43800072000640005800.004800.000400003200.0024000160080:000:000(b)54正面(b)54背面(c)5880007200.006400.00500:00480.00400003200.00240001600080.000.00Wm/3K-1()58液压气动与密封/2 0 2 4 年第4 期散大，使得大开度下的熵产率高。可见灯泡贯流式水轮机动能分布与熵产率分布相似，受到来流冲击，漩涡等不良流动因素的影响，将会导致流动损失增大，进一步说明了熵产理论在分析灯泡贯流式水轮机的可靠性，在一定程度上反映了流场的稳定程度。第产车满产车(a)50(b)540图17 水轮机XY平面焰产率分布Fig.17Entropy yield distribution of turbine XY plane4.5灯泡贯流式水轮机内部颗粒运动规律由图18 可知，固相颗粒在进口段的运动轨迹分布相对均匀,颗粒由进口段流人灯泡体内，因其收缩流道泥沙颗粒速度略微增加，固相颗粒进人转轮后，便向叶片背面贴近。从尾水管流域颗粒运动轨迹可以看出粒径越小颗粒运动越均匀，大粒径颗粒在尾水管的运动轨迹更为混乱，产生漩涡。颗粒在导叶进口流域内沿着水流方向以均匀的速度进人导叶区，一部分颗粒导叶表面发生碰撞，另一部分与导叶背面发生碰撞并改变了运动方向。随着颗粒进人转轮区，颗粒的速度明显高于导叶区，并由最开始的轴向运动转变为旋转绕轴运动，固相颗粒与叶片背面发生碰撞后运动方向发生改变。颗粒经过导叶和转轮叶片的碰撞之后进入尾水管流域,在尾水管区域颗粒运动速度明显降低，在靠近尾水管壁面处的颗粒速度高于尾水管中心流域。经前文分析在大颗粒直径工况下靠近壁面处有大量的瑞流区，使得颗粒运动轨迹愈发紊乱，颗粒与壁面的碰撞,颗粒与颗粒的碰撞,以及颗粒与流体的相互作用使得在大直径颗粒工况下尾水管区域有较强的随机性。图19 所示为灯泡贯流式水轮机进口至出口不同粒径的固相速度随其移动距离的变化曲线，可见不同粒径固相速度变化规律基本一致,呈“n形变化趋势。图中a段是固相在水轮机人口段的速度变化,在计算中给定固相初始速度与人口液体速度一致,可以看出固相在进口段的速度变化较小,b段是颗粒在灯泡体内的速度，由于灯泡体出口处为两端收缩流道,因此颗粒速度在此处呈现增大趋势,并且固相直径越大其质量越大，受到的惯性力更强，因此速度略大于小直径颗粒。4424.94418.70812.4726.236Wm3 K-10.000msA-124.99418.7.4512.497(c)586.2480.000m sA-124.99418.74512.4976.2480.000msA-124.99418.74512.4976.2480.000msA-1Fig.18 Trajectory of particle motion at solid phasec段是导叶区，引导水流和形成一定的环量，此处过流面积进一步减小，因此固相速度在此处出现大幅度增加。在d段,转轮内部颗粒运动方向发生改变,并且固体相与转轮叶片碰撞后，由于能量损失，其运动速度会有轻微的下降,之后受到叶轮离心力的作用,在叶片出口处速度达到最大值,直径越大的颗粒所对应的最大速度越小，之后离心力对颗粒的作用较小,颗粒速度出现明显下降。e段尾水管区域，当颗粒进人直锥形尾水管,由于过水面积不断增大，水流流速减小，此时水流流速对颗粒速度影响较大，因此在尾水管区域，颗粒速度整体呈现