尾水管内气液两相流动测量

doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.091

尾水管内气液两相流动测量

李金凤¹^,², 陈武光¹, 张正川¹, 徐用良²^,³^,⁴, 李开盈⁵, 尹俊连^,¹, 王德忠¹

1.上海交通大学机械与动力工程学院,上海 200240

2.水力发电设备国家重点实验室,哈尔滨 150040

3.哈尔滨电机厂有限责任公司,哈尔滨 150040

4.哈尔滨大电机研究所, 哈尔滨 150040

5.中核核电运行管理有限公司,浙江嘉兴 314300

Measurement of Gas-Liquid Two-Phase Flow in Draft Tube

LI Jinfeng¹^,², CHEN Wuguang¹, ZHANG Zhengchuan¹, XU Yongliang²^,³^,⁴, LI Kaiying⁵, YIN Junlian^,¹, WANG Dezhong¹

1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

2. State Key Laboratory of Hydropower Equipment, Harbin 150040, China

3. Harbin Electric Machinery Co., Ltd., Harbin 150040, China

4. Harbin Institute of Large Electrical Machinery, Harbin 150040, China

5. China National Nuclear Power Operation Management Co., Ltd., Jiaxing 314300, Zhejiang, China

通讯作者: 尹俊连,副研究员;E-mail:jlyin@sjtu.edu.cn.

责任编辑: 李博文

收稿日期: 2023-03-14 修回日期: 2023-06-21 接受日期: 2023-06-29

基金资助:

国家自然科学基金(52276158)
国家自然科学基金(52206203)

Received: 2023-03-14 Revised: 2023-06-21 Accepted: 2023-06-29

作者简介 About authors

李金凤(1999-),硕士生,从事气液两相旋流稳定性研究.

摘要

当水轮机在部分负荷工况下运行时,尾水管内会形成不稳定的螺旋涡带流动,导致严重的流量不平衡,进而影响系统动态特性.获取尾水管内完整的气液两相流动,是分析涡带生成和发展机理从而对其进行有效控制的基础.为此,本文突破传统测量技术在气液两相流测量中的局限性,结合粒子图像测速和脉冲阴影技术,同步测量液相速度场和两个垂直方向的涡带形态.分析不同涡带形态的演化过程,进一步通过图像处理获取螺旋涡带的直径和空间信息,实现单螺旋涡带的三维重建,得到单螺旋涡带清晰的三维形态和旋转进动过程.最后对尾水管内呈现单螺旋涡带时的液相速度场进行分析,并将液相速度场与涡带的三维形态进行空间关联分析.实验研究表明:尾水管内涡带呈现单螺旋、双螺旋、气芯堆叠3种形态的不稳定循环流动演化,单螺旋涡带局部一分为二时,会转化为双螺旋涡带;单螺旋涡带局部螺旋升角不断减小时,会发生涡带堆叠破裂;尾水管内呈现单螺旋涡带时,涡带整体随液相主流绕中心轴线旋转进动,同时涡带自身局部存在绕某一轴线的旋转,涡带形态的螺旋旋向与整体旋转进动的螺旋旋向相反.流动根据轴向速度分为外围主流区和中心滞止区两部分,主流区和滞止区之间的剪切层卷起形成旋涡,液相旋涡的位置决定了螺旋涡带的空间形态.

关键词： 尾水管涡带; 气液两相流; 粒子图像测速; 脉冲阴影; 涡带三维重建

Abstract

The limitation of traditional measurement technology in gas-liquid two-phase flow measurement is broken through.The liquid velocity field and vortex rope morphology from two vertical directions were measured synchronically by using particle image velocimetry and pulsed shadowgraphy technique. Experimental measurements show that the vortex rope in the draft tube presents three kinds of unstable circulation flow evolution, single spiral, double spiral, and overstocked rupture. When a single spiral vortex rope is partially split into two, it becomes a double spiral vortex rope. When the local spiral rise angle of a single spiral vortex rope decreases, it becomes an overstocked rupture. When there is a single spiral vortex rope in the draft tube, the vortex rope rotates precession around the central axis along with the liquid main flow, and the flow is divided into two parts, the outer main flow zone and the central stagnation zone, according to the axial velocity. The shear layer between the main flow zone and the stagnation zone rolls up to form several vortices. The position of liquid vortices determines the spatial morphology of the spiral vortex rope.

Keywords： vortex rope; gas-liquid two-phase flow; particle image velocimetry; pulsed shadowgraphy; 3D reconstruction

PDF (65901KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

李金凤, 陈武光, 张正川, 徐用良, 李开盈, 尹俊连, 王德忠. 尾水管内气液两相流动测量[J]. 上海交通大学学报, 2024, 58(8): 1188-1200 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.091

LI Jinfeng, CHEN Wuguang, ZHANG Zhengchuan, XU Yongliang, LI Kaiying, YIN Junlian, WANG Dezhong. Measurement of Gas-Liquid Two-Phase Flow in Draft Tube[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2024, 58(8): 1188-1200 doi:10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.091

水力发电是全球最主要的可再生能源之一,在减少化石能源依赖、推动能源绿色发展中充当关键角色.在大力发展风能、太阳能等新能源的背景下,水力发电因其灵活的调节能力很好地弥补了新能源的随机性和波动性,保障了电网的安全经济运行^[1⇓-3].然而,为满足电网调节的需求,水轮机需要频繁地经历不同工况的过渡,当水轮机在部分负荷工况下运行时,尾水管内会形成不稳定的螺旋涡带流动,导致严重的流量不平衡,进而影响系统的动态特性^[4].因此,有效地控制尾水管内的旋流涡带,对保障水力发电机组的效率和运行的稳定具有重要意义.获取尾水管内完整的气液两相流动,是分析涡带生成和发展机理从而对其进行有效控制的基础.

水轮机尾水管内气液两相流动的实验测量,主要包括气相涡带形态和液相速度两方面.气相涡带形态多通过高速摄像获取,通过Nicolet记录水轮机不同操作点下螺旋涡带的形态,并指出在特定操作点下涡带的横截面为椭圆且自旋转^[5].Skripkin等^[6]观察到了水轮机尾水管内单螺旋和双螺旋涡带间的不稳定循环演化;Alekseenko等^[7]观察到了尾水管内的涡核重连现象,单螺旋涡带重连后形成涡环.受气液界面强反光等因素影响,当前研究直接利用高速摄像难以获得清晰的涡带发展演化界面.尾水管内液相速度多采用非侵入式技术测量,如激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimetry,LDV)和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)等,其中PIV能够提供整个区域的详细流场,因而应用最多^[8].Lai等^[9]利用2D LDV获得尾水管内特定点的瞬时二维速度,Goyal等^[10]利用2D PIV得到尾水管中心纵截面的二维速度场,Tridon等^[11]利用3D PIV得到了尾水管内的三维速度场.上述研究中尾水管内液相速度场的测量数据较为丰富,而对于尾水管内的气液两相流动,液相速度场与气相涡带的形态密切相关,二者的同步测量十分必要.

2008年,Iliescu等^[12]进行了尾水管内涡带形态和速度场的同步测量,将两台照相机分别用于同一方向上的高速摄像和PIV拍摄,并通过图像处理获得涡带直径及涡带穿过速度测量平面的位置.该研究假设螺旋涡带的形状和角速度及相应流场在一个周期内保持恒定,将一个方向不同时刻的二维数据对应于空间角位置,重建空间速度场和涡带的三维形态.但一个周期内涡带形状不变且固定角速度旋转的假设会影响涡带3D重建的准确性.

在现有的水轮机尾水管内气液两相流动测量研究中,涡带形态或液相速度场的单一测量较丰富,但二者的同步测量较少.通过简化的实验台模拟不同工况下水轮机尾水管内的旋流结构,结合粒子图像测速和脉冲阴影(Pulsed Shadowgraphy,PS)技术提出全新的测量方案,应用于尾水管涡带流动,同时获得液相速度场和两个垂直方向的清晰涡带界面.分析不同涡带形态的演化过程,并对单螺旋涡带进行三维重建,进一步分析单螺旋涡带的三维形态和旋转进动过程.最后,对尾水管呈现单螺旋涡带时的液相速度场进行分析,并将液相速度场与涡带的三维形态进行空间关联分析.获取的实验数据为涡带生成和发展机理研究提供了基础数据,可用于尾水管内旋流的数值计算模型和涡识别方法的验证.

1 实验装置和测量技术

1.1 实验装置

水轮机偏离最优工况运行时,转轮出口处绝对速度偏离法向,尾水管内形成旋流,在逆压力梯度下气液两相流动失稳,形成涡带^[13].模拟水轮机尾水管涡带流动的实验台需要满足旋流发生、扩张锥管、气液两相流体3个基本条件.尾水管实验装置如图1所示,实验回路如图2所示.

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 尾水管实验模型

Fig.1 Experimental model of a draft tube

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 尾水管实验回路

Fig.2 Test loop of a draft tube

采用叶片式旋流发生器来实现旋流结构,几何旋流数S=0.74,计算如下

(1)S=

\frac{2 (R^{3} - R_{h}^{3}) c o t (90 ° - α)}{3 R (R^{2} - R_{h}^{2})}

式中: R为轮缘半径; R_h为轮毂半径; α为叶片出口角.

扩张锥管材料为透明有机玻璃,测量区域设置八边形外壳,并装有与回路相同的液体,以尽可能降低测量时锥管引起的光学畸变.主回路充满液相水,尾水管中心通入适量气体,使形成的涡带清晰可见.根据文献[14]中对水轮机尾水管气体注射的研究,体积含气率小于1%时,注入的气体不会影响尾水管内的旋流流动特性.实验工况记录如表1所示,表中Re为尾水管入口处的雷诺数,体积含气率为

(2)β=

\frac{Q_{g}}{Q_{g} + Q_{l}}

式中:Q_g为气相体积流量;Q_l为液相体积流量.

表1 实验工况

Tab.1 Experimental condition

序号	Q_l×10³/ (m³·s^-1)	Q_g/(m³·s^-1)	Re×10^-5	β/%
1	2.01	3.33×10^-6	0.57	0.17
2	2.01	6.66×10^-6	0.57	0.33
3	2.91	3.33×10^-6	0.82	0.11
4	2.91	6.66×10^-6	0.82	0.23
5	2.91	1.00×10^-5	0.82	0.34
6	2.91	1.33×10^-5	0.82	0.46
7	2.91	1.66×10^-5	0.82	0.57
8	3.52	6.66×10^-6	1.00	0.19
9	3.52	1.00×10^-5	1.00	0.28
10	4.31	6.66×10^-6	1.23	0.15
11	4.31	1.00×10^-5	1.23	0.23
12	4.98	1.00×10^-5	1.41	0.20

新窗口打开| 下载CSV

1.2 测量技术

PIV是一种非侵入的流体测速方法,其原理是利用具有高流动跟随性的示踪粒子的运动状态来反映流场的运动状态,通过测量极短时间内示踪粒子的位移,间接测量流场的瞬时速度.脉冲阴影使用背部照明光源,不与气液界面交互的光产生均匀明亮的背景,而在界面处折射的光被分散形成阴影,从而获得清晰的界面形态.本文中尾水管内气液两相流动的测量结合了PIV和脉冲阴影技术,同时获得液相速度场和两个垂直方向的涡带形态.

测量系统由激光器、两个蓝色LED、3台照相机、同步器和实验段组成,布置如图3所示.其中,照相机1和照相机3垂直布置,照相机2与照相机1和照相机3的夹角均为45°,3台照相机拍摄区域的空间位置通过标定板进行关联.激光平面置于尾水管中心纵截面,两个蓝色LED分别对准照相机1和照相机3.测量原理如图4所示.

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 测量系统布置

Fig.3 Layout of measurement system

图4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图4 光学测量原理

Fig.4 Principle of optical measurement

实验回路中注入涂有罗丹明B的球形空心玻璃珠作为示踪粒子,该颗粒粒径为1~20 μm,密度为1.5 g/cm³.当波长为532 nm的绿色片激光照亮流场时,荧光颗粒会发射出峰值波长为585 nm的黄色荧光.两个蓝色LED发出波长为450 nm的蓝光,作为脉冲阴影成像系统的背光光源.3台照相机装有滤光片,其中照相机2安装570 nm的高通滤光片,允许黄色荧光通过;照相机1和照相机3安装了(450±20) nm 的带通滤光片,允许蓝光通过.光源和照相机的开关由同步器控制.因此,照相机2可以捕获到 PIV计算所需要的荧光粒子信息, 照相机1和照相机3可以利用脉冲阴影技术得到两个垂直方向的涡带形态,如图5所示,其中图5(a)为照相机1涡带,图5(b)为照相机2荧光粒子,图5(c)为照相机3涡带.

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 照相机拍摄的图像

Fig.5 Images taken by three cameras

2 数据处理方法

2.1 涡带形态3D重建

涡带的三维重建算法的基本思路是基于图像处理识别和提取涡带边缘信息,计算得到涡带的空间位置和直径,进而实现单螺旋涡带的三维重建.关注重点为螺旋涡带的整体形态和演化特征,因此不对涡带表面细节做过多讨论,可参考文献[12]中的研究,假设重建区域内涡带不同高度的横截面均为圆形且等直径.

涡带边缘的识别过程如图6所示,其中图6(a)和6(d)为照相机1图像处理过程,图6(e)~6(h)为照相机3图像处理过程.首先,照相机1拍摄的图6(a)经过去背景、二值化得到图6(b);其次,利用bwareaopen函数去除孤立的小气泡,利用imfill函数填充图像中的孔,利用imclose函数进一步处理得到图6(c);最后,利用edge函数识别边缘得到图6(d).照相机3拍摄的图6(e)经过同样的处理得到图6(h).提取图6(d)和6(h)中的涡带边缘坐标,利用filloutliers函数和smooth函数对提取的数据进行平滑处理,以优化重建效果.

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 涡带边缘提取方法

Fig.6 Method for edge extraction of vortex rope

涡带三维重建方法如图7所示,其中Z轴和Z₀轴垂直于横截面,正方向竖直向上.为方便3台照相机数据的标定和关联,以标定板中心O为原点建立两个空间坐标系,坐标系OXYZ对应照相机2,坐标系OX₀Y₀Z₀对应照相机1和照相机3,如图7(a)所示.在Z轴高度方向上,分400层横截面进行重建.在 OX₀Y₀Z₀ 坐标系下,每层横截面的圆心坐标 (a_0,_i, b_0,_i)和半径r的计算方法为

(3)a_0,_i=

\frac{x_{1, i} + x_{2, i}}{2}

(4)r_x_,_i=

\frac{x_{2, i} - x_{1, i}}{2}

(5)b_0,_i=

\frac{y_{1, i} + y_{2, i}}{2}

(6)r_y_,_i=

\frac{y_{2, i} - y_{1, i}}{2}

式中:层数i=1, 2, …, 400;x_1,_i和x_2,_i分别为照相机1图像提取得到的涡带左、右边缘坐标,对应第i层,如图7(b)所示;a_0,_i和r_x_,_i分别为照相机1得到的第i层横截面的圆心坐标和半径;y_1,_i和y_2,_i分别为照相机2图像提取得到的涡带左、右边缘坐标,对应第i层,如图7(c)所示;b_0,_i和r_y_,_i分别为照相机3得到的第i层横截面的圆心坐标和半径.

图7

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图7 涡带三维重建方法

Fig.7 Method of 3D reconstruction of vortex rope

重建半径取平均值为

(7)r=

\frac{\sum_{i = 1}^{400} r_{x, i} + \sum_{i = 1}^{400} r_{y, i}}{2 \times 400}

将OX₀Y₀Z₀坐标系下的圆心坐标(a_0,_i, b_0,_i)转换为OXYZ坐标系下的圆心坐标(a_i, b_i):

(8)a_i=

\sqrt{a_{0, i}^{2} + b_{0, i}^{2}}

cos

(a r c t a n \frac{b_{0, i}}{a_{0, i}} + ϑ)

(9)b_i=

\sqrt{a_{0, i}^{2} + b_{0, i}^{2}}

sin

(a r c t a n \frac{b_{0, i}}{a_{0, i}} + ϑ)

式中:ϑ为一转换角度,当a_0,_i<0时,ϑ=+135°;当a_0,_i>0时,ϑ=-45°.

最后,在OXYZ坐标系下,将i=1, 2, …, 400时的涡带横截面信息映射到Z轴高度上,根据螺旋涡带不同高度的横截面均为圆形且等直径的假设,进行三维重建:

(10)(x-a_i)²+(y-b_i)²=r²

式中:x和y分别为OXYZ坐标系下任意点的X轴和Y轴坐标.

涡带重建区域为80 mm×80 mm×80 mm, 重建结果如图7(d)所示.

2.2 液相速度场

气液两相流PIV的测量受气液界面的影响,气液界面反射的激光及激光通过气液界面后强度的减弱会干扰照相机捕获到的粒子信息,需要对PIV图像进行相位分离处理.现有PIV图像中实现相位分离的技术可以分为3类^[15]:①图像采集阶段的基于颜色的光学分离;②PIV互相关计算前通过强度识别、边缘检测等方式进行数字分离;③PIV互相关计算后的分离处理.结合光学分离和PIV计算前的图像处理、PIV计算后的速度矢量处理,尽可能提高计算准确程度.采用涂有罗丹明B的球形空心玻璃珠作为示踪粒子,该粒子在激光照射下发出荧光,结合高通滤光片,滤掉拍摄的PIV图像中反射的激光.中心纵截面液相速度场计算范围为 50 mm×40 mm,首先对拍摄图像进行去背景和滤波处理,再进行PIV计算得到速度矢量,最后对速度矢量进行中值滤波和插值填充,如图8所示.图中:v_Z为轴向速度.

图8

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图8 液相速度场计算结果

Fig.8 Calculation results of velocity field in liquid phase

3 结果和讨论

3.1 涡带形态的不稳定循环演化

研究范围内,12组不同的实验工况下,均会出现单螺旋涡带、双螺旋涡带、涡带堆叠破裂3种形态的不稳定循环切换,雷诺数的改变对涡带形态没有明显影响,含气率的增加会改变涡带的直径.后文以工况4为例,即Re=0.82×10⁵,β= 0.23%时,对尾水管涡带流动进行分析.

单螺旋涡带的发展如图9所示,t为时间,t₁为单螺旋涡带某一初始时刻.涡带旋转进动,螺距不断改变,形态演化细节将在下一节中介绍.单螺旋涡带螺距的不断改变,说明Iliescue等^[12]在涡带形态3D重建时,基于一个周期内涡带形状不变的假设,会影响涡带3D重建的准确性.

图9

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图9 单螺旋涡带形态演化

Fig.9 Morphological evolution of single spiral vortex rope

双螺旋涡带的形成和发展如图10所示,t₂表示双螺旋涡带某一初始时刻.图10(a)和10(b)表示单螺旋涡带局部一分为二,原有螺旋和新生成的局部螺旋相互缠绕,形态极不稳定,如图10(c)~10(e)所示;随后演化为一条较为稳定的粗螺旋和一条薄弱的细螺旋,如图10(f)和10(g)所示;最终演化回单螺旋涡带形态,如图10(h)所示.在对单双螺旋涡带相互转化的研究中发现了同样的现象,如文献[6]中图5所示,文中指出旋流不稳定性会破坏双螺旋涡带的对称性,使其中一条涡带强度增加,另一条涡带强度减弱,最终合并为一条涡带.相较于文献[6]的研究,本文利用脉冲阴影技术获得了更清晰的界面演化过程,捕捉到更多细节信息.

图10

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图10 双螺旋涡带形态演化

Fig.10 Morphological evolution of double spiral vortex rope

涡带堆叠破裂的形成和发展如图11所示,t₃为涡带堆叠破裂某一初始时刻.单螺旋涡带局部螺旋升角不断减小,直至涡带折断,如图11(a)和11(b)所示;折断后上游涡带和下游涡带不断堆叠,如图11(c)和11(d)所示;随后上游涡带尾部形成气芯环,如图11(e)所示,气芯环破裂后如图11(f)和11(g)所示,最终演化回单螺旋涡带形态,如图11(h)所示.在Alekseenko等^[7]对尾水管内涡核重连现象的研究中,单螺旋涡带发生涡核重连后形成独立涡环,涡环在空间上独立于原有单螺旋涡带或被原有螺旋涡带贯穿,如文献[7]中图2及图4所示.文中的涡带堆叠破裂现象与文献[7]有一定相似,不同之处在于涡带折断后,上游涡带尾部形成气芯环,气芯环与上游螺旋涡带为相互连接的整体,直至破裂.

图11

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图11 涡带堆叠破裂演化

Fig.11 Morphological evolution of overstocked rupture

3.2 单螺旋涡带形态和速度场的关联分析

上述3种涡带形态中,单螺旋涡带流场较为清晰,且为水轮机部分负荷运行时最常见的涡带形态,对水力发电机组的稳定运行有重要影响,下面对单螺旋涡带的形态和速度场进行进一步分析.

为清楚描述螺旋涡带的形态和整体旋转进动,左手和右手螺旋方向定义如下: 将螺旋分解为旋转和移动,右手四指握向螺旋的旋转方向,若拇指指向与螺旋的移动方向相同,则称符合右手螺旋方向;若拇指指向与螺旋的移动方向相反,则称符合左手螺旋方向.

涡带旋转进动一个周期内不同时刻的三维形态如图12所示,其中图12(a)~12(f)为一个周期内的不同时刻,t₄为某一周期的初始时刻,每个时刻均左图为主视图,右图为俯视图.涡带的形态可以通过任一时刻的三维重建结果判断,单螺旋涡带整体形态近似圆锥螺旋线.如图12(a)中黑色箭头所示,将涡带上游头部作为起点,则涡带旋转方向为逆时针,涡带移动方向竖直向下.根据上述定义,螺旋涡带形态符合左手螺旋方向.涡带整体的旋转进动需要根据多个不同时刻的三维重建结果的变化判断.通过主视图的变化可以得知流场中涡带整体竖直向下移动,如图12(a)中橙色箭头所示.通过俯视图的变化可以得知涡带整体顺时针旋转,如图12(a)中蓝色箭头所示.因此,螺旋涡带整体按照右手螺旋方向旋转进动.根据实验装置设计,液相经过叶轮起旋后进入扩张锥管,如图12(a)中绿色箭头所示,液相主流的旋转方向为顺时针,液相主流的移动方向竖直向下.因此,尾水管内液相主旋流同样符合右手螺旋方向.由此可知,当尾水管内形成单螺旋涡带时,涡带整体随液相主流旋转进动,而涡带形态的螺旋旋向与整体旋转进动的螺旋旋向相反.

图12

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图12 涡带三维形态(主视和俯视图)

Fig.12 Three-dimensional morphology of vortex rope (the main view and top view)

同一个周期内,液相速度矢量计算结果如图13所示,其中图13(a)~13(f)为一个周期内不同时刻. 根据轴向速度的大小和方向,液相流场分为外围主流区和中心滞止区,中心滞止区的轴向速度数值接近0或者方向与外围主流区相反.主流区和滞止区交界面形成轴向剪切层,扰动作用下,剪切层卷起形成旋涡,这可由开尔文-亥姆霍兹不稳定性理论解释.一个周期内,旋涡不断生成,并随主流方向移动脱落.

图13

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图13 液相速度场

Fig.13 Velocity field of liquid phase

涡带的形态与液相速度场密切相关,将二者进行空间关联分析,如图14所示.一个周期内不同时刻的空间关联结果表明, 涡带位于主流区和滞止区之间,涡带与速度测量平面的相交位置与液相旋涡位置非常吻合.在靠近涡带的区域,液相的速度数值明显增大,这是由旋转进动的涡带挤压液相流体空间造成的.上述速度测量平面是过尾水管中心轴线的一个平面,由于实验中的尾水管模型为标准的圆锥形状,所以可以认为扩展到空间中其他任意一个过尾水管中心轴线的平面时,涡带与该平面相交的位置均与液相旋涡位置吻合.由此可知,在尾水管气液两相旋流中,主流区和滞止区之间旋涡卷起的位置决定了螺旋涡带的空间形态.此外,涡带位置处的液相旋涡表明,涡带除了整体的旋转进动之外,还存在自身局部绕某个轴线的旋转.

图14

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图14 涡带三维形态和速度场空间关联

Fig.14 Spatial correlation between 3D morphology of vortex rope and velocity field

4 结论

(1) 在S=0.74,Re=0.57×10⁵~1.41×10⁵工况范围内,尾水管内均能观察到单螺旋涡带、双螺旋涡带、涡带堆叠破裂3种形态的不稳定循环演化,单螺旋涡带局部一分为二时会转化为双螺旋涡带,单螺旋涡带局部螺旋升角不断减小时会发生涡带堆叠破裂.

(2) 尾水管内呈现单螺旋涡带时,涡带整体随液相主流绕中心轴线旋转进动,同时涡带自身局部存在绕某一轴线的旋转,涡带形态的螺旋旋向与整体旋转进动的螺旋旋向相反,流动根据轴向速度分为主流区和滞止区两部分,两个区域剪切层卷起形成旋涡,液相旋涡的空间位置决定了螺旋涡带的三维形态.

本研究的后期工作:一方面,将进一步发展三维气相形态和三维速度场的同步测量技术,以获得尾水管涡带流动更为完整的实验数据;另一方面,将结合尾水管压力脉动和壁面振动信号的测量,研究不同形态的涡带流动对尾水管的影响机制,为工程应用提供参考.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

周星, 伍鹤皋, 苏凯.

混流式水轮机轴向水推力研究综述和讨论

[J]. 水利学报, 2019, 50(10): 1242-1252.