1、隨著電力需求的不斷增長，混流式水輪機(jī)逐漸向高轉(zhuǎn)速、大容量以及高水頭方向發(fā)展。單機(jī)容量的增大、轉(zhuǎn)速的提高，導(dǎo)致機(jī)組的水力設(shè)計(jì)呈現(xiàn)高比轉(zhuǎn)速的發(fā)展趨勢，空化引起的兩相流流動穩(wěn)定性問題逐漸得到重視。本文針對高水頭大容量混流式水輪機(jī)中普遍存在的空化兩相流流動穩(wěn)定性問題，采用內(nèi)部流場實(shí)驗(yàn)測試、能量特性測試以及數(shù)值模擬相結(jié)合的手段展開研究。
　　為了實(shí)現(xiàn)對混流式水輪機(jī)內(nèi)部流場的粒子成像測速儀（PIV）測量，建立了局部部件透明的模型混流式實(shí)驗(yàn)臺，

2、設(shè)計(jì)了可以觀察轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流場并且滿足強(qiáng)度要求的透明轉(zhuǎn)輪，加工了便于測量無葉區(qū)流場的帶有透明有機(jī)玻璃視窗的蝸殼、固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉等部件，最后基于實(shí)驗(yàn)臺循環(huán)回路建立了PIV實(shí)驗(yàn)臺測控系統(tǒng)，監(jiān)測機(jī)組的流量、轉(zhuǎn)速、壓力以及輸出功率等參數(shù)，并建立了PIV相位鎖定方法以詳細(xì)分析內(nèi)部流場的演化規(guī)律。通過對無葉區(qū)附近流場、葉道渦、葉片表面脫流空化以及尾水管渦帶的實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)：實(shí)驗(yàn)測試工況下，活動導(dǎo)葉吸力面流場的變化周期與葉片通過頻率有關(guān)，其周期性變化

3、是造成無葉區(qū)壓力脈動的主要原因；尾水管渦帶的旋轉(zhuǎn)周期呈現(xiàn)低頻特征；轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的葉道渦流動演化的主頻為葉片通過頻率；葉片進(jìn)口邊背面脫流空化具有高頻演化特征，其主頻為導(dǎo)葉通過頻率。
　　為了詳細(xì)分析混流式水輪機(jī)機(jī)組內(nèi)部的葉道渦、尾水管渦帶的流動特征，采用了大渦模擬（LES）方法和基于蒸發(fā)/凝結(jié)空化模型的計(jì)算方法，對模型混流式水輪機(jī)的外特性、內(nèi)流場等進(jìn)行了數(shù)值預(yù)測。在任意活動導(dǎo)葉開度下，采用空化兩相流計(jì)算的外特性結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對比吻合度高，而

4、單相流計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值誤差較大；在額定工作開度下，轉(zhuǎn)輪出口不存在強(qiáng)旋流流動形態(tài)，可以有效地改善尾水管入口流動，降低尾水管的壓力脈動；開度較小時(shí)，尾水管渦帶存在復(fù)雜的雙渦帶現(xiàn)象。
　　為了研究混流式水輪機(jī)機(jī)組內(nèi)部流場的流動穩(wěn)定性，基于數(shù)值模擬方法預(yù)測了機(jī)組內(nèi)部的壓力脈動，捕捉了壓力脈動的頻譜特征及演化規(guī)律，同時(shí)基于曲線坐標(biāo)系下的湍動能輸運(yùn)方程對混流式水輪機(jī)無葉區(qū)流場的流動穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：不同開度不同工況下，混流式水輪機(jī)無

5、葉區(qū)的壓力脈動主頻均為葉片通過頻率，次頻均為葉片通過頻率的兩倍頻；隨著開度增加，尾水管入口處的壓力脈動高頻分量越來越明顯。通過對湍動能在無葉區(qū)分布的研究，發(fā)現(xiàn)影響流動穩(wěn)定的主要因素是正應(yīng)力生成項(xiàng)和切應(yīng)力生成項(xiàng)；導(dǎo)葉開度較小時(shí)，無葉區(qū)壓力脈動的提高主要是由于活動導(dǎo)葉尾跡流造成的，當(dāng)活動導(dǎo)葉開度較大時(shí)，無葉區(qū)壓力脈動的提高主要由于活動導(dǎo)葉尾跡流受轉(zhuǎn)輪的干涉作用造成。另外，活動導(dǎo)葉開度較小時(shí)，活動導(dǎo)葉的尾跡流動直接影響湍動能正應(yīng)力生成項(xiàng)大小，