水轮机中固液两相流及泥沙磨损的研究

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水轮机中固液两相流及泥沙磨损的研究

摘要：我国含沙河流众多，水轮机在含沙水流中运行所受到的危害相当严重，水轮机磨损研究是具有很高实用价值和理论意义的研究课题。水轮机中固液两相流的流动机理研究是水轮机磨损研究的基础和关键。归纳了目前关于固液两相流的各种研究方法，概括了目前需要解决好的一些问题。

关键词：水轮机、固液两相流、磨损、研究方法、研究现状、研究进展

一、引言

水轮机中含泥沙颗粒流动的结果总是使流道表面遭到严重磨损,同时这种磨损破坏作用还将恶化水轮机的气蚀性能,泥沙磨损和气蚀联合作用导致过流部件表面的材料损失过程更加迅速,使机组事故率上升,效率下降,稳定性降低,使用寿命缩短,检修时间延长和维修费用增加,造成的能源损耗和经济损失相当可观。

二、 水轮机磨损破坏实例

（1）陕西黄河支流无定河绥德水电站（水轮机型号ZD661-LH-120 ）,每年有500h在含沙量为 （电站实测最大过机含沙量为 ）条件下运行（泥沙平均粒径0.08-0.15mn，泥沙颗粒以石英、长石为主），不锈钢叶片运行10161h后叶片失重达15%，外缘呈扫帚状，出力下降40%。

（2）河南黄河三门峡水电站（水轮机型号ZZ010-LJ-600,  ）水轮机运行后效率下降8.7%，必须扩大性大修。

（3）湖北长江葛洲坝水电厂大江电站（水轮机型号ZZ500-LH-1020,）,17号机20mm厚的不锈钢叶片出水边其磨损速率为 ，而15号机运行37000h后进水边头部磨损量超过16mm，磨损速率达 以上，每年必须有3-4台机进行非金属涂敷保护才能延长扩大性大修的周期。

（4）四川大渡河龚嘴水电站，大水库泥沙淤积趋于平衡后，全厂7台水轮机（水轮机型号HL-220-LJ-550 ）,每年都要大修12台机，并对过流部件进行非金属涂层防护，才能不损坏转轮的线材。

鉴于泥沙磨损对水轮机的重大危害,泥沙磨损问题已成为当前和今后水电开发中急待解决的问题。尽管流道表面磨损是固体颗粒与材料表面直接机械碰撞或划削作用的结果,且研究材料本身的抗磨特性具有很大的实用意义,但是从流体及其中颗粒运动即固液两相流的角度来研究泥沙磨损问题却更富于积极意义,是彻底解决泥沙磨损问题的根本途径之一。

三、固液两相流的研究方法和理论模型

理论上来讲，流体力学的基本方程是可以用于两相流的。但是，在两相流中，一般应对各相列出各自的守恒方程，而且还要考虑两相间的相互作用，因此，描述多相流的方程组要比单相流的复杂得多。对两相流的分析和研究要比单相流复杂和困难得多。目前，分析两相流的方法大多是单相流中已被充分使用过的那些方法的延伸。

研究固液两相流动的方法大致有以下几种：

(1)经验关系式法根据实验数据建立经验关系式是工程设计中常用的方法。这种方法就是将工业性试验结果、半工业性试验结果或实验室的实验结果整理成经验关系式或图表。这种方法的优点是计算往往比较简便、快捷，也可能相当精确。缺点是局限较大，只能用于规定的范围，不能外推，只有在设计对象与获得关系式的条件相同时，才会获得良好结果。经验关系式法并不揭露问题的物理本质，无法赖以获得改善设计的方向。尽管如此，由于两相流动的复杂性以及该学科的目前发展实际情况，许多工程设计还必须求助于经验关系式。运用这种方法的步骤是：收集试验或现场中的数据；对系统变量建立任意或半任意的相关方程；使用任意常数或任意函数使方程能够拟合实际数据；根据所获得的方程去预测其它情况。

(2)分析方法试图从基本原理出发推导两相流控制方程，主要步骤是：对每相和界面条件建立局部瞬时方程；用平均方法得到瞬时空间平均方程、局部时间平均方程和时间空间平均方程；把平均方程简化到要求的程度(如含有相间相互作用项的多流体方程)，以此来求解实际问题。分析方法较严密，所得关系式更有普遍性。借助于现代计算技术，无疑是一个行之有效的方法。但对所得的平均方程如不作某些简化，没有谁能轻而易举地将其加以运用。并且上述这组平均方程还不是封闭的，要想对其求解(例如，预测相含量和压力变化等参数)，还需要知道一些相关关系(如壁面及界面的剪切力和质量、能量的传递项等)才能实现。显然，只有当这些相关关系有一定的物理基础或有更大的普遍性时，分析方法才能给出比经验方法更好的结果。

(3)唯象方法唯象方法试图从物理上透彻地了解存在的现象，并据此建立模型。其主要步骤是：按相界面分布方式确定流型；详细地观察现象，并运用相应的测量手段建立理论或半理论的物理模型来描述局部现象；综合局部模型，得到对整体系统的描述；运用整体模型进行预测、设计。

四、研究现状

国内对固液两相流的研究目前主要集中在颗粒运动规律、两相流流场分析及实验研究上，清华大学利用粒子成像测速技术对流道中固体颗粒速度场进行了研究，实验结果表明固体颗粒的密度影响其在叶轮中的相对运动轨迹，而其粒径和形状则主要影响其运动速度大小。在多相紊流运动双流体模型的基础之上，建立了两相紊流运动的大涡模拟，利用大涡模拟，对叶轮内部的固液两相流动进行了数值计算。用有限差分法对叶轮流道中的固液两相流动规律进行了数值模拟。采用数值计算方法研究流场内部三维粘性流动特性，在流场计算的基础上，利用压力、速度矢量分布团等处理手段显示内部流场，分析在不同工况下流道的内部流态，研究流道内部的流动规律，对机组的各项性能做出合理的判断。计算流体力学 CFD 技术，具有成本低、速度快、计算结果信息量丰富等优点，已经在水轮机设计领域得到了越来越广泛的应用。关于固液两相流内部机理的实验研究，国内外已经广泛运用激光多普勒测速技术 (简称 LDV)、粒子图像测速技术 (简称 PIV) 等非接触测量方法研究两相流场，取得了很好的效果

五、研究遇到的问题

(1) 固液两相流的研究是由理论分析、实验研究及数值模拟三者结合而成的，研究的重点仍然在流道内部两相流场流动规律、性能研究及磨蚀机理上。在此基础上对水轮机的设计制造和使用加以改进。同时将先进的测试手段应用于固液两相流实验研究中，这对提高实验数据的精确性、可靠性都具有很大的帮助。

(2) 采用合理、可靠的水力设计方法，加大力度运用计算流体力学 CFD 技术，进行多目标、多约束优化。

(3) 进一步探索磨损规律，加快新材料应用研究，提高材料抗磨性能，也是今后急待深入研究的问题之一。提高叶片的磨蚀性能，延长其使用寿命，对于提高相关行业的经济效益意义重大。

  

姓名： 聂国奎         

学号：122080103002

专业：流体力学