张 慧

1 概述

尾水管内涡带引起的较大低频压力脉动，使机组出现振动及出力的波动，严重时甚至使机组被迫停机，给水电站造成巨大损失。尾水管的几何尺寸对尾水管内的流动有直接影响，从而也会对低频压力脉动产生影响。其中，尾水管直锥段高度是一个关键的参数。

为了将此参数对水轮机总体性能的影响做一个充分的分析，分别比较了6种尾水管高度在某工况下时的压力特征。

2 尾水管几何参数

1)12A窄高型尾水管的肘管见图1，图2。

图1 12A肘管

图2 12A窄高型尾水管主要参数示意图

2)12A尾水管参数推荐值见表1。

表1 12A窄高型尾水管主要参数最佳选择范围推荐表

3 计算分析方法和结果分析

1)本文所采用的尾水管尺寸见表2。

表2 尾水管尺寸

2)计算分析方法和计算工况。

研究尾水管水力稳定性主要从两个途径进行，一方面进行尾水管内的稳定流动理论计算，另一方面进行实测分析。本文从理论计算入手对此问题进行分析。

a.网格划分。网格的密集程度和分布以及类型等对于计算结果影响是很大的。如果只考虑系统的宏观指标，如水力效率，流量等，是可以允许较粗的网格的。但是当研究复杂的内部流动，尤其是高雷诺数下的湍流时，过粗的网格会导致流动细节的丢失。本文利用四面体在定义复杂外形时的灵活性，全面采用四面体来填充三维空间，它消除了结构网格中节点的结构性限制，节点和单元的分布可控性好，因而能较好的处理边界，使用于模拟真实复杂外形。具体的模型网格数量见表3。

表3 模型网格数量

具体网格分布示意图见图3。

图3 网格分布图

b.方程离散和差分格式。本文采用有限体积法对控制方程进行离散求解，对流项采用二阶迎风格式。压力和速度采用SIMPLEC方法进行耦合求解。

c.定常计算和湍流模型。在计算过程中，为了减少计算时间，简化计算工作，假定尾水管进口来流均匀。采用标准k—ε湍流模型，假设计算工况点见表4。

表4 假设计算工况点

3)计算结果及分析。

尾水管压力记录面:本文选取两个截面进行分析，其位置如图4所示。

图4 尾水管内部压力记录面示意图

压力记录面分析:通过对这6种不同尺寸的12A窄高型尾水管的水力计算，我们得到它们在同一工况下有相似的压力分布情况，以尾水管C为例来说明。

尾水管C两个截面的压力分布见图5。

图5 尾水管C两个截面的压力分布

将压力做成坐标点图可观察到各个点的压力值，见图6。

图6 各点压力坐标点图

查出压力最大最小值，并做极差，分析数据见表5。

表5 极差分析数据

结果分析:1)由尾水管C两个截面的压力分布图，我们可以看出，稳态水流通过12A窄高型尾水管后最大压力分布在肘管底部。2)由压力坐标点图，我们可以看到，压力最大最小值出现的位置相同，极差最大的为尾水管B，极差最小的为尾水管A，综合考虑尾水管C极差最合适，但其他尾水管的极差也在允许范围内。

4 结语

12A窄高型尾水管，不改变肘段尺寸，只改变直锥段尺寸形成的6种尾水管，基于CFD技术在同一工况下分别进行水力计算，得出大致相同的压力分布及速度分布等，充分说明了12A窄高型尾水管性能的稳定性。

［1］ 刘大恺.水轮机［M］.北京:中国水利水电出版社，1997.

［2］ 石祥钟，尚 涛，肖英奎.窄高型尾水管的设计参数估算方法研究［J］.水电能源科学，2004(6):93-95.

［3］ 魏先导.混流式水轮机窄高型尾水管的应用研究［J］.武汉水利电力大学学报，1993，26(1):1-8.

［4］ 于 波.窄高型尾水管流场数值模拟及分析［J］.长江科学院院报，1999(6):98-99.

［5］ 王福军.计算流体动力学分析CFD软件原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004:120-122.

［6］ 吴玉林，刘树红，钱忠东.水利机械计算流体动力学［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.

［7］ 苏铭德，黄素逸.计算流体力学基础［M］.北京:清华大学出版社，1997.

［8］ 赵兴艳，苏莫明，张楚华.CFD方法在流体机械设计中的应用［J］.流体机械，2000(3):22-25.

［9］ Launder D E，Spalding D B.Lectures in Mathematical Models of Turbulence［M］.London:Academic press，1972.

［10］ 郭茂雄，田继在，吴长胜.窄高型尾水管直锥管的有利高度研究［J］.武汉水利水电大学学报，1997(5):39-43.

［11］ Gubin M F.Draft Tubes of Hydraulic Stations［M］.New Delhi:Amerind Publishing Co.Pvt.Ltd，1973.