尾水管的案例
某燈泡貫流式水輪機關鍵部件CFD分析
圖6各工況轉輪區域渦核
圖7各工況尾水管靜壓
2.4尾水管
2.4.1尾水管靜壓
由4個工況下（如圖7）的尾水管靜壓可以看出，沿著水流的流向，從尾水管進口到出口，壓力是均勻升高的，且壓力基本對稱，對稱軸為主軸軸線。工況①、②、③壓力云圖顯示在尾水管中間都存在連續的條狀低壓區，由此判斷此即為尾水管空腔渦帶，隨著開度的增大，連續低壓區的最低壓力增大，渦帶漸漸減小。但在工況①位置的壓力云圖與其他開度下的云圖顯然不同，連續的低壓區面積較大，且有一個高壓區域連接尾水管的進口和上下管壁，說明除了渦帶外在尾水管存在其他對機組影響較大的不穩定流，此不穩定流是軸對稱的。工況④中間區域沒有連續的低壓區，則機組在工況④下，較難形成尾水管渦帶。
2.4.2尾水管速度
圖8各工況尾水管速度云圖
對比工況①、②、③、④尾水管速度云圖（如圖8），沿著水流的流向，從尾水管進口到出口，速度是降低的，速度值以主軸軸線為對稱軸上下對稱；工況①尾水管速度云圖與其余三個工況尾水管速度云圖有明顯的不同，它在尾水管中間區域有三個低速區，上下兩個低速區沿著軸線對稱，中間的低速區為橢圓形，夾在兩個高速區的出口中間，由此可以判斷工況①在尾水管進口到中間區域出現一種比較特殊的漩渦；工況②在尾水管出口處有一個三角形區域的低速區，說明此處流動存在異常。
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圖6各工況轉輪區域渦核
圖7各工況尾水管靜壓
2.4尾水管
2.4.1尾水管靜壓
由4個工況下（如圖7）的尾水管靜壓可以看出，沿著水流的流向，從尾水管進口到出口，壓力是均勻升高的，且壓力基本對稱，對稱軸為主軸軸線。工況①、②、③壓力云圖顯示在尾水管中間都存在連續的條狀低壓區，由此判斷此即為尾水管空腔渦帶，隨著開度的增大，連續低壓區的最低壓力增大，渦帶漸漸減小。但在工況①位置的壓力云圖與其他開度下的云圖顯然不同，連續的低壓區面積較大，且有一個高壓區域連接尾水管的進口和上下管壁，說明除了渦帶外在尾水管存在其他對機組影響較大的不穩定流，此不穩定流是軸對稱的。工況④中間區域沒有連續的低壓區，則機組在工況④下，較難形成尾水管渦帶。
2.4.2尾水管速度
圖8各工況尾水管速度云圖
對比工況①、②、③、④尾水管速度云圖（如圖8），沿著水流的流向，從尾水管進口到出口，速度是降低的，速度值以主軸軸線為對稱軸上下對稱；工況①尾水管速度云圖與其余三個工況尾水管速度云圖有明顯的不同，它在尾水管中間區域有三個低速區，上下兩個低速區沿著軸線對稱，中間的低速區為橢圓形，夾在兩個高速區的出口中間，由此可以判斷工況①在尾水管進口到中間區域出現一種比較特殊的漩渦；工況②在尾水管出口處有一個三角形區域的低速區，說明此處流動存在異常。
展開 【CAE案例】模擬水輪機中的旋轉渦帶現象
圖 5 瞬態模型部分載荷工況下測線1和2的徑向和切向速度
對尾水管中模擬的壓力結果進行快速傅立葉變換(FFT)。分析的信號為非穩態模擬的最后5秒，此時旋轉渦帶已完全展開。下圖展示了FFT分析后的結果。旋轉渦帶的存在通常由對應于轉輪轉速的頻率（Rheingans 頻率）的0.2-0.4的頻率來表示。根據文獻，Francis-99 尾流管內的旋轉渦帶壓力脈動的頻率被發現為0.29f (~1.63 Hz)。
圖 6 尾水管壓力FFT
下圖展示了渦帶的流動結構及其隨時間的演變，在云圖中展示壓強=100kPa的等值面。
圖 7 渦帶隨時間的變化，考慮流體的粘度
圖 8 渦帶隨時間的變化，不考慮流體的粘度
04 結論與展望
本案例模擬了Francis-99水輪機轉輪和尾水管部分，希望能夠捕捉到在非設計工況下尾水管內的渦帶。
使用穩態冷凍轉子模型的模擬結果顯示，在設計工況下，測線1和測線2的速度剖面與實驗值非常吻合。對于部分載荷工況，軸向速度偏低，但速度分布與實驗數據一致。此外，使用了瞬態模型對部分載荷工況進行了模擬，數值結果很好地預測了旋轉渦帶的出現和形成。使用CFD仿真軟件，獲得了與實驗結果近似的數值結果。在部分載荷工況下，實驗結果表明壓力脈動頻率約為轉輪頻率(~1.63 Hz)的0.29倍。從尾水管壓力FFT分析結果可以看出，它大約是轉輪頻率的0.28(~1.57)。0.06Hz的差異是由于數值模擬誤差造成的，可以忽略不計。
使用CFD仿真軟件可以模擬水輪機內部復雜的流動，并且能夠得到準確的結果，驗證了CFD仿真軟件模擬復雜流動的能力。
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展開 模擬水輪機中的旋轉渦帶現象
圖 7 渦帶隨時間的變化，考慮流體的粘度
圖 8 渦帶隨時間的變化，不考慮流體的粘度
04 結論與展望
本案例模擬了Francis-99水輪機轉輪和尾水管部分，希望能夠捕捉到在非設計工況下尾水管內的渦帶。
使用穩態冷凍轉子模型的模擬結果顯示，在設計工況下，測線1和測線2的速度剖面與實驗值非常吻合。對于部分載荷工況，軸向速度偏低，但速度分布與實驗數據一致。此外，使用了瞬態模型對部分載荷工況進行了模擬，數值結果很好地預測了旋轉渦帶的出現和形成。使用CFD仿真軟件，獲得了與實驗結果近似的數值結果。在部分載荷工況下，實驗結果表明壓力脈動頻率約為轉輪頻率(~1.63 Hz)的0.29倍。從尾水管壓力FFT分析結果可以看出，它大約是轉輪頻率的0.28(~1.57)。0.06Hz的差異是由于數值模擬誤差造成的，可以忽略不計。
使用CFD仿真軟件可以模擬水輪機內部復雜的流動，并且能夠得到準確的結果，驗證了CFD仿真軟件模擬復雜流動的能力。
文章來源：遠算云仿真
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不要讓渦流繩束縛您的水輪機
這些渦輪機的特點是徑向流入、入口葉片、轉輪和通過尾水管的軸向流出。它們可以在很寬的時間范圍內快速響應任何負載變化。
圖 1. 引導水流進入水輪機的入口葉片（左側）、GAMM 渦輪機的幾何結構（中間）以及渦輪機的部件，即導流管、葉片和轉輪（右側）。
在其最佳效率點的大約 50% 到 70% 的負載下，混流式水輪機會產生空化渦繩，這會導致壓力波動。這種部分負載浪涌也稱為Rheinganz 頻率。此處產生的頻率約為渦輪轉速的 1/3。運行中的這種不穩定行為不僅在部分負載下觀察到，而且在標稱滿載和過載時也觀察到。在本次 Cadence TECHTalk 中，演講者討論了渦流繩對水輪機設計帶來的不同挑戰，以及如何在非設計條件下準確分析渦流繩。
渦流繩帶來的挑戰
渦繩是混流式水輪機尾水管錐體中高雷諾數時發生的一種不穩定現象。在此類渦輪機的尾水管中觀察到兩種類型的渦流：
滿載脈動渦流繩
部分載荷下的螺旋渦流繩。
在非設計條件下運行的水輪機尾水管內的流動通常具有復雜的渦流特征，這會導致氣蝕現象。渦流繩的頻率通常在轉輪轉速的 30% 到 50% 范圍內。
圖 2. 渦繩出現在水輪機的尾水管中。
如圖 2所示，渦流繩會導致尾水管中出現壓力脈動，從而導致結構振動、功率波動和脈動壓力恢復，這是水電行業的一個主要問題，因為它們會導致系統性能降低或限制渦輪機的工作范圍。因此，準確模擬渦繩并分析相應的壓力波動至關重要。
解決方案
使用 CFD 模擬分析設計和非設計條件下的渦輪機性能變得非常容易。第一步，應在穩態條件下模擬渦輪機設計以研究效率點。然后，在非設計條件下對其進行模擬，以可視化流動中的渦流。
展開 【技術】使用TCFD進行弗朗西斯水輪機CFD仿真驗證
尾水管：尾水管是將轉輪出口連接到尾座圈的導管，尾水從渦輪排出。其主要功能是降低排出水的速度，以最大程度減少出口處動能損失。
前處理
TCFD目前支持stl格式模型的導入，我們需要對水輪機模型進行處理。去除模型中微小的、不相關的和有問題的部分，并且封閉所有孔（需要保證表面水密）。模型前處理階段在整個工作流程中非常重要，模型的精度會限制最終的仿真模擬精度。
在這個弗朗西斯水輪機項目中，CAD模型被劃分為四個部分：蝸殼，導流/支撐葉片，葉輪和尾水管。每個部件都是水密的，并包括入口交界面，出口交界面和相應的壁面（蝸殼壁面，葉片，前蓋板，后蓋板，支撐葉片，導流葉片、尾水管壁面等），對于每個單獨的部件都創建了各自的體網格。
網格
計算網格是采用TCFD中的snappyHexMesh模塊自動構建的。對于水輪機的各個部件，設置背景網格的大小，再對各部位進行網格加密。整個水輪機模型，長6237mm，高3364mm，寬3473mm，基礎網格為邊長10mm的立方體。
對壁面進行網格加密，TCFD中可以便捷的更改網格加密級別，以獲得粗糙或細致的網格，能夠更好地處理網格大小，并可以定義邊界層網格。
用于模擬的最終網格數為4937072，其中大部分為六面體網格。（蝸殼：268751，導流和支撐葉片:3256434，葉輪:1253858，尾水管：158029）.
如有需要，也可以在其他網格工具中進行網格劃分，并以MSH、CGNS或OpenFOAM網格格式導入TCFD中進行仿真計算。
展開 使用TCFD進行弗朗西斯水輪機CFD仿真驗證
尾水管：尾水管是將轉輪出口連接到尾座圈的導管，尾水從渦輪排出。其主要功能是降低排出水的速度，以最大程度減少出口處動能損失。
前處理
TCFD目前支持stl格式模型的導入，我們需要對水輪機模型進行處理。去除模型中微小的、不相關的和有問題的部分，并且封閉所有孔（需要保證表面水密）。模型前處理階段在整個工作流程中非常重要，模型的精度會限制最終的仿真模擬精度。
在這個弗朗西斯水輪機項目中，CAD模型被劃分為四個部分：蝸殼，導流/支撐葉片，葉輪和尾水管。每個部件都是水密的，并包括入口交界面，出口交界面和相應的壁面（蝸殼壁面，葉片，前蓋板，后蓋板，支撐葉片，導流葉片、尾水管壁面等），對于每個單獨的部件都創建了各自的體網格。
網格
計算網格是采用TCFD中的snappyHexMesh模塊自動構建的。對于水輪機的各個部件，設置背景網格的大小，再對各部位進行網格加密。整個水輪機模型，長6237mm，高3364mm，寬3473mm，基礎網格為邊長10mm的立方體。
對壁面進行網格加密，TCFD中可以便捷的更改網格加密級別，以獲得粗糙或細致的網格，能夠更好地處理網格大小，并可以定義邊界層網格。
用于模擬的最終網格數為4937072，其中大部分為六面體網格。（蝸殼：268751，導流和支撐葉片:3256434，葉輪:1253858，尾水管：158029）.
展開 CFD仿真技術在水輪機產品設計中的應用簡介
下文是CFD仿真技術在解決水輪機產品研發過程中部分常見工程問題的簡要介紹：
1、水輪機的水力設計
蝸殼的水力設計
固定導葉、活動導葉的水力設計
轉輪的水力設計
尾水管的水力設計
水輪機的效率是考察其性能的最重要的指標之一。借助ANSYS強大的數值分析工具，工程師可以在模型實驗之前對水力設計的質量進行綜合且細致的評判。
2、水輪機的壓力脈動
尾水管渦帶的仿真
葉道渦、卡門渦仿真
轉輪和導葉的動靜干涉
非設計工況的壓力脈動
過渡過程的壓力脈動
ANSYS軟件可以分析水輪機運行中的非定常水力激勵力。通過比較轉輪內與轉輪外流道的水壓力脈動特性，分析動靜干涉、葉道渦、卡門渦等引起的壓力脈動頻率與幅值特性，分析脈動傳遞與衰減等影響。總結發現尾水管內渦帶引起的壓力脈動與受其影響的轉輪內的壓力脈動的聯系，找出了兩者之間的頻率計算公式，及不同運行工況不同渦帶特性下的計算公式的修正方法。
3、水輪機的空化
不同水頭、導葉開度下的空化狀態
空化-效率曲線計算
空化引起的壓力脈動
ANSYS軟件可以進行水輪機全流道空化流計算，得到內部兩相空化流場的詳細情況，預測水輪機的空化性能。
展開 多物理場仿真解決混流式水輪機中的振動問題
水從下方垂直離開轉輪，并進入尾水管，剩余的動能轉化為額外的壓力水頭。
使用結構仿真，Voith 的工程團隊排除導流葉片的自激勵和諧振是導致振動的原因。利用計算流體動力學（CFD）技術，他們判斷出轉輪葉片（而不是導流葉片）上存在渦旋脫落，其是導致振動的原因。這部機器由24 個導流葉片和13 個轉輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動測量顯示所有的導流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內的相同頻率上振動，但無法在工作過程中對轉輪葉片的振動開展測量。
導流葉片振動的物理測量。圖片由Voith提供。
模態分析說明導流葉片自然頻率遠離于測得的振動頻率。圖片由Voith提供。
簡化水域中的轉輪聲學有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉輪上渦旋脫落如何給導流葉片造成不利影響，該團隊利用水域中轉輪的有限元模型進行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉輪和流道之間的動力學行為。結果證明是轉輪葉片后緣的激勵導致了振動。仿真結果與測量得到的振動頻率吻合，大約在300Hz。通過修改原型轉輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動明顯得到減輕。
自激勵振動與諧振
為判斷振動的原因，Voith 的工程師從檢查諧振效應的可能性或發生在自然頻率上的導流葉片自激勵振動的可能性作為切入點。他們使用了ANSYS Mechanical 在水中為導流葉片創建有限元模型，然后使用無阻尼模態分析計算出前四種模態形狀。工程師發現不存在與所觀察到的振動頻率接近的自然頻率，進而說明不存在導流葉片諧振或自激勵。這一發現得到了物理測量的確認。物理測量顯示所有的導流葉片均在統一狹窄的頻率范圍內振動，雖然幾何結構和軸承條件的微小差異導致每個導流葉片有一些不同的自然頻率。
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水從下方垂直離開轉輪，并進入尾水管，剩余的動能轉化為額外的壓力水頭。
使用結構仿真，Voith 的工程團隊排除導流葉片的自激勵和諧振是導致振動的原因。利用計算流體動力學（CFD）技術，他們判斷出轉輪葉片（而不是導流葉片）上存在渦旋脫落，其是導致振動的原因。這部機器由24 個導流葉片和13 個轉輪葉片組成。其工作速度為75rpm。振動測量顯示所有的導流葉片都在290Hz 到305Hz 范圍內的相同頻率上振動，但無法在工作過程中對轉輪葉片的振動開展測量。
導流葉片振動的物理測量。圖片由Voith提供。
模態分析說明導流葉片自然頻率遠離于測得的振動頻率。圖片由Voith提供。
簡化水域中的轉輪聲學有限元模型。圖片由Voith提供。
為確定轉輪上渦旋脫落如何給導流葉片造成不利影響，該團隊利用水域中轉輪的有限元模型進行聲- 流固耦合。該模型使用流體有限元耦合轉輪和流道之間的動力學行為。結果證明是轉輪葉片后緣的激勵導致了振動。仿真結果與測量得到的振動頻率吻合，大約在300Hz。通過修改原型轉輪葉片后緣的形狀，最大程度減小渦旋脫落，振動明顯得到減輕。
自激勵振動與諧振
為判斷振動的原因，Voith 的工程師從檢查諧振效應的可能性或發生在自然頻率上的導流葉片自激勵振動的可能性作為切入點。他們使用了ANSYS Mechanical 在水中為導流葉片創建有限元模型，然后使用無阻尼模態分析計算出前四種模態形狀。工程師發現不存在與所觀察到的振動頻率接近的自然頻率，進而說明不存在導流葉片諧振或自激勵。這一發現得到了物理測量的確認。
展開 余能回收水輪機葉片參數化設計與性能研究
圖1 參數化設計流程
表1 參數化設計計算表
為降低微型余能回收水輪機的生產難度和成本，對過流部件適當地進行了優化，余能回收水輪機全流道仿真模型僅包括蝸殼、活動導葉、轉輪和尾水管，如圖2所示。
圖2 余能回收水輪機全流道模型
某輸水管網末端壓力較高，經測量可利用壓頭約31m，平均流量為720/h，采用余能回收水輪機進行發電回收富裕的能量?；谝辉碚摰玫捷S面流線并分為若干段，然后按照參數化設計方法對每個微元段進行計算，最終得到葉片骨線坐標。按等厚度規律對骨線加厚并對翼型進出口邊倒圓得到葉片翼型如圖3，設計得到的葉片骨線包角曲線如圖4。
圖3 參數化設計流程
圖4 參數化設計流程
水輪機轉輪出口速度矩分布對性能有影響，為達到降低出口平均速度矩的目的，擬增加葉片出口邊靠近上冠側骨線包角。修改前、后葉片骨線參數曲線變化如圖5，不同流面層上葉片骨線的包角是均勻變化的，改后葉片骨線仍然保持光滑，見圖6。對比改變葉片參數前后出口速度矩分布曲線如圖7，改后出口邊平均速度矩從0.091㎡/s減小至-0.005㎡/s。
展開 
小水電站基本知識
(7)采用補氣裝置，向尾水管中送入空氣，消除可能產生汽蝕的過大真空。
13.大中小型小電站是如何劃分的？
按現行部標，裝機容量小于50000kW的為小型；裝機容量50000～250000kW的為中型；裝機容量大于250000kW為大型。
14.水力發電的基本原理是什么？
水力發電就是利用水力(具有水頭)推動水力機械(水輪機)轉動，將水能轉變為機械能，如果在水輪機上接上另一種機械(發電機)隨著水輪機轉動便可發出電來，這時機械能又轉變為電能。水力發電在某種意義上講是水的勢能變成機械能，又變成電能的轉換過程。
15.水力資源的開發方式和水電站的基本類型有哪幾種？
水力資源的開發方式是按照集中落差而選定，大致有三種基本方式：即堤壩式、引水式和混合式等。
（1）堤壩式水電站是指在河道中建大壩，集中落差，有一定水庫庫容，電站就處在壩后附近的水電站。
（2）引水式水電站是指完全利用河道的天然落差引水發電，無水庫，無調節能力，電站處在下游較遠河道上的水電站。
（3）混合式水電站是指電站利用的落差，一部分由筑壩形成，一部分是利用河道天然落差，有一定的庫容，電站處在下游較遠河道上的水電站。
16.什么是流量、徑流總量、多年平均流量？
流量是指單位時間內水流通過河流(或水工建筑物)過水斷面的體積，以立方米/秒表示；
徑流總量是指在一個水文年內通過河流該斷面水流總量之和，以104m3或108m3表示；
多年平均流量是指河流斷面按已有水文系列計算的多年流量平均值Q3/S表示。
17.小型水電站樞紐工程主要由哪幾部分組成？
主要由擋水建筑物(壩)、泄洪建筑物(溢洪道或閘)、引水建筑物(引水渠或隧洞，包括調壓井)及電站廠房(包括尾水渠、升壓站)四大部分組成。
18.什么是徑流式水電站？其特點是什么？
無調節水庫的電站稱為徑流式水電站。
展開 水電站安全檢查都查些什么？
4
尾水系統安全性檢查
1．排查與尾水系統、下游河道相連的管路及設備。
2．檢查尾水出水口閘門門槽混凝土結構完整性、滲水等情況及通氣孔孔口高程。
3．檢查尾水管道變形及滲壓等情況；與廠房相通的封堵體、調壓井結構變形及滲水（壓）等情況、排水系統滲水變化情況，尾水調壓井實際發生的最高涌浪和工況。
5
金屬結構安全性檢查
1．檢查電站引水隧洞進水口事故（快速）閘門的擋水、動水關閉功能，并進行中控室遠方操作試驗。
2．檢查抽水蓄能電站閘閥式尾水事故閘門、下庫進出水口事故閘門的擋水、動水關閉功能，并進行中控室遠方操作試驗。檢查閘閥式尾水事故閘門的閘門室巡檢規則和記錄，檢查承受高水頭設備的連接螺栓定檢和更新狀態。
3．檢查廠房、廊道等部位防洪閘門的擋水、啟閉功能及運行狀態。
4．檢查復核水電站尾水檢修閘門設計水位與廠房洪水設計標準一致性。
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