陸 力，潘羅平，彭忠年，徐洪泉，孟曉超，高忠信

（中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 機(jī)電所，北京 100038）

1 研究背景

水力機(jī)械模型試驗(yàn)是水力機(jī)械研究不可缺少的重要組成部分，1950年代末至1980年代初，世界上一些工業(yè)較發(fā)達(dá)國(guó)家相繼興建了水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)，配置了自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)、高精度測(cè)量?jī)x表，使模型試驗(yàn)的精度和試驗(yàn)周期大為提高，推進(jìn)了模型試驗(yàn)新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)水電建設(shè)和裝備制造業(yè)的發(fā)展發(fā)揮了重要作用［1］。國(guó)內(nèi)在1960年代也開(kāi)始興建水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)，后經(jīng)大規(guī)模重建，1980年代末，中國(guó)水利水電科學(xué)研究院以下簡(jiǎn)稱(chēng)（中國(guó)水科院）、哈爾濱大電機(jī)研究所、東方電機(jī)廠、富春江水工機(jī)械廠相繼建成了當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平的水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)，開(kāi)發(fā)了一批性能優(yōu)良的水力模型，設(shè)計(jì)制造了巖灘、天生橋、漫灣、銅街子等大型機(jī)組，并對(duì)三峽巨型機(jī)組的設(shè)計(jì)制造開(kāi)展了大量試驗(yàn)研究和論證，水輪機(jī)空蝕磨損、振動(dòng)問(wèn)題等世界性難題也取得了較大進(jìn)展。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，水力計(jì)算理論和計(jì)算方法有了迅速發(fā)展，水力機(jī)械的許多問(wèn)題也已有可能直接通過(guò)計(jì)算得到解決，但要全面掌握水力機(jī)械的性能、設(shè)計(jì)制造更令人滿意的水力機(jī)械，還需要通過(guò)大量的能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)原型機(jī)組性能的模型試驗(yàn)才能做到。另外，隨著現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，先進(jìn)測(cè)試技術(shù)不斷在模型試驗(yàn)中得到應(yīng)用，模型試驗(yàn)臺(tái)的功能不斷拓寬，進(jìn)一步推動(dòng)了水力計(jì)算理論和計(jì)算方法的完善和發(fā)展。

中國(guó)水科院結(jié)合水利部“高精度水力機(jī)械試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)控系統(tǒng)”縱向任務(wù)，開(kāi)展了“水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)”項(xiàng)目研究，建成了模型試驗(yàn)和CFD數(shù)值計(jì)算有效結(jié)合的水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)，通過(guò)CFD數(shù)值模擬和性能預(yù)估，優(yōu)化用于模型試驗(yàn)的水力模型，極大提高了模型試驗(yàn)的效率，模型測(cè)試結(jié)果應(yīng)用于CFD數(shù)值模擬和自主軟件開(kāi)發(fā)，用模型試驗(yàn)驗(yàn)證和優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步促進(jìn)了水力機(jī)械計(jì)算和設(shè)計(jì)方法的完善和發(fā)展。

2 水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)簡(jiǎn)介

水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)包括硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩部分，如圖1所示。

圖1 水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

在水力機(jī)械模型試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方案中，提出了動(dòng)力強(qiáng)、功能全、精度高、有特色的總體技術(shù)要求，以渾水試驗(yàn)、磨損試驗(yàn)和空化觀測(cè)技術(shù)為特色，在測(cè)試方法和測(cè)試設(shè)備更新中尋求技術(shù)創(chuàng)新和突破。

2.1 硬件平臺(tái)清水測(cè)試系統(tǒng)最高試驗(yàn)水頭150 m，最大過(guò)流量2.2 m3/s，效率測(cè)量不確定度小于±0.2%。自主開(kāi)發(fā)了具有軸向和徑向兩種油腔的臥式靜壓軸承，效率測(cè)試不確定度大幅度降低，并能同時(shí)測(cè)量水力機(jī)械模型的軸向水推力和徑向力；自主研發(fā)最大量程150 t的靜態(tài)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，最大擴(kuò)展不確定度為0.032%；測(cè)試系統(tǒng)配置了高精度測(cè)試設(shè)備和原位標(biāo)定系統(tǒng)，實(shí)測(cè)效率測(cè)量不確定度為0.16%。試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試功能齊全，具備水力機(jī)械能量性能試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、軸向水推力和徑向力試驗(yàn)、導(dǎo)葉水力矩測(cè)試、槳葉水力矩測(cè)試、補(bǔ)氣試驗(yàn)、空化性能試驗(yàn)及空化觀測(cè)、飛逸特性試驗(yàn)、蝸殼壓差試驗(yàn)、轉(zhuǎn)輪內(nèi)部壓力場(chǎng)及動(dòng)應(yīng)力測(cè)試、內(nèi)部流速場(chǎng)測(cè)試等超強(qiáng)測(cè)試功能。近十年以來(lái)，在該臺(tái)進(jìn)行的同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)及模型驗(yàn)收的水電站總出力已超過(guò)52 063 MW，試驗(yàn)?zāi)芰μ幱趪?guó)際領(lǐng)先水平。國(guó)內(nèi)外主要高水頭試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)芰?duì)比見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外主要高水頭試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)?zāi)芰?duì)比

渾水測(cè)試系統(tǒng)最高試驗(yàn)水頭60 m，最大試驗(yàn)流量1.0 m3/s，渾水條件下效率測(cè)量不確定度小于±0.4%。設(shè)計(jì)發(fā)明了薄膜隔沙裝置和濾網(wǎng)式阻沙裝置、通過(guò)渾水密度測(cè)量泥沙濃度的方法兩項(xiàng)原創(chuàng)型測(cè)試方法及設(shè)備，提高了渾水壓力測(cè)量和泥沙濃度測(cè)量的精度。自主開(kāi)發(fā)了“易損涂層法”，實(shí)現(xiàn)了磨損部位和強(qiáng)度的快速測(cè)試。測(cè)試系統(tǒng)除具有清水測(cè)試系統(tǒng)全部功能外，還具備在含沙水流條件下的水力機(jī)械外特性測(cè)試、空化初生測(cè)試、模型磨損試驗(yàn)等試驗(yàn)功能。目前國(guó)外無(wú)渾水測(cè)試系統(tǒng)，水科院渾水測(cè)試系統(tǒng)在試驗(yàn)?zāi)芰?、精度和功能等方面均處于?guó)際領(lǐng)先水平。渾水測(cè)試系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 渾水測(cè)試系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)外試驗(yàn)臺(tái)的參數(shù)對(duì)比（國(guó)外無(wú)渾水測(cè)試系統(tǒng)）

磨蝕測(cè)試系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)和旋轉(zhuǎn)噴射兩類(lèi)試驗(yàn)裝置，最大試驗(yàn)流速90 m/s，含沙濃度0～100 kg/m3，開(kāi)發(fā)了水力機(jī)械模型磨損試驗(yàn)方法，自主原創(chuàng)研制了旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)磨蝕試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)功能包括磨損試驗(yàn)、空蝕試驗(yàn)和磨蝕試驗(yàn)等。

2.2 軟件平臺(tái)軟件平臺(tái)主要包括水力機(jī)械設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)軟件和模型測(cè)試軟件，堅(jiān)持自主開(kāi)發(fā)為主、商用軟件為輔的原則，以固液兩相流、氣液兩相流為特色和重點(diǎn)，通過(guò)模型流速場(chǎng)、壓力場(chǎng)測(cè)試確定水力計(jì)算邊界條件，利用模型性能及其它試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，優(yōu)化水力設(shè)計(jì)并完善CFD軟件。

中國(guó)水科院是國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展水力機(jī)械CFD 軟件開(kāi)發(fā)的研究單位，自主開(kāi)發(fā)的三維固液兩相流湍流模型、數(shù)值模擬模型和磨損破壞預(yù)估模型，可模擬高含沙量的固液兩相流問(wèn)題，是水力機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)的有力工具［2］。用該模型計(jì)算了劉家峽模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的三維泥沙固液兩相湍流流動(dòng)，表明該模型能夠很好的模擬不同工況水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的磨損情況。建立了基于貼體坐標(biāo)和有限體積法的氣液兩相湍流兩流體計(jì)算模型，氣泡體積率分布的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。建立了基于空化模型的尾水管渦帶數(shù)值模擬模型，通過(guò)三維湍流數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)典型工況的尾水管內(nèi)部氣液兩相湍流進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，為研究氣液兩相尾水管渦帶流動(dòng)的產(chǎn)生發(fā)展機(jī)理提供了新的手段。

水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)主要應(yīng)用于高性能水力機(jī)械研發(fā)、水電站運(yùn)行問(wèn)題研究及水力機(jī)械性能驗(yàn)證。在高性能水輪機(jī)、水泵和水泵水輪機(jī)開(kāi)發(fā)中，充分利用水力設(shè)計(jì)和模型試驗(yàn)兩個(gè)平臺(tái)，先利用CFD軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和性能預(yù)估，選擇2～3個(gè)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行模型測(cè)試，再通過(guò)對(duì)性能優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪的空化觀測(cè)等優(yōu)化定型。在科學(xué)研究中，可根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)分別采用兩個(gè)平臺(tái)進(jìn)行科學(xué)分析和理論探索，也可聯(lián)合應(yīng)用兩個(gè)平臺(tái)進(jìn)行相互的驗(yàn)證和更深入細(xì)致的研究。

3 水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)主要技術(shù)創(chuàng)新

水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)在水力機(jī)械模型磨損模擬技術(shù)、渾水測(cè)量技術(shù)、流量計(jì)和壓力傳感器原位標(biāo)定、水力機(jī)械兩相流數(shù)值模擬模型及磨損預(yù)估等方面具有重大創(chuàng)新。

3.1 水力機(jī)械模型磨損模擬技術(shù)為實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用模型機(jī)組進(jìn)行水力機(jī)械磨損特性的研究，自主開(kāi)發(fā)了“易損涂層法”這一原創(chuàng)型水力機(jī)械模型磨損試驗(yàn)方法。其主要內(nèi)容為：研制了可均勻噴涂于轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉等試驗(yàn)部件過(guò)流表面的3種不同顏色的涂料，3層總厚度可控制在0.2 mm以?xún)?nèi)。將涂有涂層的模型機(jī)組在渾水條件下運(yùn)行一定的時(shí)間，可顯示涂敷部位的磨損及空蝕破壞的部位和相對(duì)強(qiáng)度，結(jié)果用作水力機(jī)械的磨損特性研究和相對(duì)抗磨蝕強(qiáng)度對(duì)比。涂層具有穩(wěn)定的抗水流沖刷能力，能在較短的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)顯示磨損及空蝕破壞的部位和相對(duì)強(qiáng)度，重復(fù)性及穩(wěn)定性好，易于清洗及能反復(fù)試驗(yàn)，涂層配料無(wú)毒等優(yōu)點(diǎn)。為達(dá)到功能要求，制定了涂層厚度要均勻、涂層成份應(yīng)均一、涂層表面光滑平整等實(shí)施工藝。

“易損涂層法”已被采納編入水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水輪機(jī)模型渾水驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL142-2008）和《水泵模型渾水驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)程》（SL141-2006）。

3.2 渾水壓力和泥沙濃度測(cè)試技術(shù)設(shè)計(jì)發(fā)明了薄膜式隔沙裝置和濾網(wǎng)式阻沙裝置兩種原創(chuàng)性方法及設(shè)備，可避免渾水中的泥沙進(jìn)入測(cè)量靜壓的管路，防止泥沙漸進(jìn)的飄散和沉積改變測(cè)管內(nèi)渾水密度，避免給渾水壓力測(cè)量帶來(lái)很大的不確定性（個(gè)別可超過(guò)4%）。薄膜隔沙系統(tǒng)是通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的柔韌薄膜來(lái)隔開(kāi)渾水和清水，并通過(guò)對(duì)薄膜位置和狀態(tài)的調(diào)整使壓力傳遞誤差降低到傳感器測(cè)量誤差以下。濾網(wǎng)阻沙裝置則通過(guò)兩側(cè)濾網(wǎng)和特殊設(shè)計(jì)的和泥沙漂移方向相反的沖清水排沙方式，保證渾水和泥沙不進(jìn)入測(cè)壓管路。采用這兩種裝置后，只有清水能進(jìn)入壓力或壓差傳感器，可使渾水壓力測(cè)量的不確定度降低到0.1%以下。

在濃度測(cè)量中，提出了在測(cè)試準(zhǔn)備階段兌烘干泥沙進(jìn)入已知體積的清水，測(cè)量確定泥沙密度，而在每個(gè)濃度的測(cè)試過(guò)程中，不再測(cè)量泥沙密度，只測(cè)量渾水密度和清水密度，用這3個(gè)密度計(jì)算獲得泥沙濃度。該方法和先量渾水體積、后泥沙過(guò)濾、再烘干稱(chēng)泥沙重量的“過(guò)濾稱(chēng)重法”相比，可不必頻繁的過(guò)濾，烘干也只需在準(zhǔn)備階段進(jìn)行一次，勞動(dòng)強(qiáng)度低，精度高，還可即測(cè)即得。

3.3 自主研制高靈敏度臥式靜壓軸承在水力機(jī)械模型力矩測(cè)量中，靜壓軸承技術(shù)是提高水力矩測(cè)試精度的關(guān)鍵。在本項(xiàng)目建設(shè)中，不但成功研制了立式發(fā)電機(jī)靜壓軸承和水輪機(jī)靜壓軸承，還自主研制成功適用于燈泡貫流式水輪機(jī)模型的臥式靜壓軸承。該臥式靜壓軸程最大特點(diǎn)是在固定部分和擺動(dòng)部分之間設(shè)計(jì)了垂直面和圓柱面兩種油腔，和國(guó)外許多大公司采用的圓錐面油腔相比安裝和調(diào)試更加容易和方便，并可在兩個(gè)垂直油腔處安裝差壓傳感器測(cè)量軸向水推力，在圓柱面油腔處安裝壓力傳感器測(cè)量徑向力；所有測(cè)量和調(diào)整靜壓軸承壓力、間隙等參量的儀表在軸承調(diào)試好后均封閉在燈泡體內(nèi)部，既不易損壞，又美觀和便于維護(hù)；靜壓軸承的摩擦力非常小，水力矩測(cè)試誤差大幅度減小。

3.4 自主開(kāi)發(fā)的磨損試驗(yàn)裝置及技術(shù)自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的圓盤(pán)式繞流磨損試驗(yàn)裝置和旋轉(zhuǎn)噴射磨損試驗(yàn)裝置，是研究水力機(jī)械泥沙磨損規(guī)律、優(yōu)選抗磨材料、預(yù)估材料抗磨性能的特殊試驗(yàn)裝置，在國(guó)內(nèi)外均屬首創(chuàng)，發(fā)揮了無(wú)可替代的作用。圓盤(pán)式繞流磨損試驗(yàn)裝置可用于模擬平面繞流磨損，既可用來(lái)進(jìn)行材料的磨損性能預(yù)估，也可用于不同材料的抗平面磨損性能比較，進(jìn)行材料優(yōu)選。而旋轉(zhuǎn)噴射磨損試驗(yàn)裝置可以模擬沖擊式磨損，可用于定性分析材料的抗沖擊磨損能力，通過(guò)多種不同材料的對(duì)照比較，獲得試驗(yàn)材料相對(duì)于基準(zhǔn)材料的抗磨倍數(shù)，以比較材料的抗磨性能優(yōu)劣。

3.5 流量計(jì)和壓力傳感器原位標(biāo)定系統(tǒng)流量標(biāo)定系統(tǒng)采用質(zhì)量法，其主要設(shè)備是量程為150 t 的稱(chēng)重桶，測(cè)量精度為0.038%；稱(chēng)重桶采用分散充水的消能方式，可加快充水后稱(chēng)重桶穩(wěn)定速度，使流量標(biāo)定速度提高到體積法4～5 倍以上；3 個(gè)試驗(yàn)臺(tái)均可實(shí)現(xiàn)雙向流量標(biāo)定，且各關(guān)鍵位置均可用快速切換的封板代替閥門(mén)，以避免漏水影響標(biāo)定精度。該稱(chēng)重桶采用2.5 t小稱(chēng)重桶進(jìn)行原位標(biāo)定，而該小桶又采用標(biāo)準(zhǔn)砝碼進(jìn)行原位標(biāo)定。通過(guò)原位標(biāo)定，所用電磁流量計(jì)的測(cè)量不確定度可降低到0.11%以下，而標(biāo)定流量可達(dá)到1.5 m3/s，無(wú)論精度還是能力都達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，見(jiàn)圖2所示。

圖2 流量計(jì)原位標(biāo)定系統(tǒng)

在軸流式、貫流式水輪機(jī)模型試驗(yàn)中，其試驗(yàn)水頭比較低，通常都在10 m以下，貫流式水輪機(jī)甚至?xí)陀? m，如采用滿量程為1 MPa的壓力標(biāo)定裝置進(jìn)行標(biāo)定，盡管其滿量程不確定度只有0.025%，但應(yīng)用到5 m水頭測(cè)量時(shí)，僅標(biāo)定設(shè)備帶來(lái)的誤差就達(dá)到0.5%。為提高低水頭傳感器的標(biāo)定精度，在市場(chǎng)上購(gòu)不到低壓力標(biāo)定設(shè)備的情況下，在1 MPa的壓力標(biāo)定裝置上外加（掛）0.1 MPa壓力傳感器，其滿量程不確定度是0.025%，送計(jì)量院標(biāo)定后用于低水頭壓力傳感器的原位標(biāo)定，可使5 m 水頭的標(biāo)定誤差降低到0.05%，使貫流式水輪機(jī)的模型效率測(cè)量不確定度降低到0.2%以下。

3.6 自主開(kāi)發(fā)水力機(jī)械性能分析和預(yù)估軟件自主開(kāi)發(fā)的全三維黏性湍流數(shù)值模擬程序可對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、水泵葉輪內(nèi)部三維流動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比表明該軟件具有比較高的精度。根據(jù)數(shù)值模擬壓力和流速分布結(jié)果對(duì)葉形進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化其水力性能之目的。水輪機(jī)效率由于CFD技術(shù)的應(yīng)用得到提高，該成果在水力機(jī)械的優(yōu)化設(shè)計(jì)中CFD技術(shù)發(fā)揮了重要作用。

圖3和圖4是應(yīng)用該軟件對(duì)某混流式水輪機(jī)和某貫流泵轉(zhuǎn)輪進(jìn)行全三維黏性湍流數(shù)值模擬，根據(jù)壓力和流速分布結(jié)果調(diào)整轉(zhuǎn)輪葉形，從而完成轉(zhuǎn)輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)改善水力機(jī)械模型的內(nèi)部流態(tài)、提高各項(xiàng)性能起到關(guān)鍵作用。圖5為應(yīng)用該軟件對(duì)某工程大型離心水泵進(jìn)行內(nèi)部非穩(wěn)定流數(shù)值模擬，并將無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合良好。

圖3 混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)流場(chǎng)

圖4 貫流泵轉(zhuǎn)輪內(nèi)流場(chǎng)

圖5 某工程大型離心水泵無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

3.7 水力機(jī)械模型渾水測(cè)試系統(tǒng)1988年首次建成世界上第一座水力機(jī)械渾水模型試驗(yàn)臺(tái)，2004年改建。該渾水模型試驗(yàn)臺(tái)可完成不同含沙濃度下的能量特性、空化特性、壓力脈動(dòng)特性、飛逸轉(zhuǎn)速特性、力特性等水力機(jī)械性能試驗(yàn)，超聲波渾水初生空化檢測(cè)，流跡和模型模擬磨損試驗(yàn)，清、渾水試驗(yàn)的相似理論和比尺效應(yīng)等試驗(yàn)研究，水力機(jī)械的磨損部位以及相對(duì)磨蝕強(qiáng)度的試驗(yàn)研究，含沙水流中水力機(jī)械磨損規(guī)律、水力參數(shù)優(yōu)選、水力機(jī)械壽命與可靠性分析、磨損與空蝕聯(lián)合破壞以及有關(guān)防護(hù)措施等試驗(yàn)研究。先后完成了劉家峽水電站水輪機(jī)增容改造渾水試驗(yàn)研究、萬(wàn)家寨引黃工程用泵、小浪底水輪機(jī)、三門(mén)峽水輪機(jī)改造、三峽工程水輪機(jī)等重大工程的研究和渾水試驗(yàn)任務(wù)，取得了一批重要成果。

3.8 建立的水力機(jī)械兩相流問(wèn)題數(shù)值模擬模型建立了三維兩流體固液兩相流湍流模型、數(shù)值模擬模型和磨損破壞預(yù)估模型，可模擬高含沙量的固液兩相流問(wèn)題。為了驗(yàn)證模型的可行性，用該模型計(jì)算了劉家峽HL001模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)部的三維泥沙固液兩相湍流流動(dòng)，數(shù)值計(jì)算了該轉(zhuǎn)輪的泥沙磨損強(qiáng)度并與磨損試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果表明該模型能夠模擬不同工況水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的磨損情況，見(jiàn)圖6。

圖6 劉家峽電站水輪機(jī)磨損位置數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

建立了基于貼體坐標(biāo)和有限體積法的氣液兩相湍流兩流體計(jì)算模型，連續(xù)相采用了考慮分散相（氣泡）分布影響的κ-ε兩方程湍流模型，分散相采用代數(shù)湍流模型。在兩種來(lái)流條件下，對(duì)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的180°圓形彎管內(nèi)部三維兩相湍流進(jìn)行了模擬計(jì)算，計(jì)算中將氣泡按大小分為兩組，加大了計(jì)算的復(fù)雜性，但能更好地反映不同大小氣泡的特性，提高計(jì)算精度。通過(guò)數(shù)值模擬獲得了彎管內(nèi)部三維兩相湍流的壓力、速度和氣泡體積率分布等數(shù)據(jù)，計(jì)算結(jié)果合理。氣泡體積率分布的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較表明：計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合良好。

建立了基于空化模型的尾水管渦帶數(shù)值模擬模型，通過(guò)三維湍流數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)典型工況的尾水管內(nèi)部氣液兩相湍流進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明：采用混合模型和RNGk-ε湍流模型可以模擬不同工況條件下尾水管內(nèi)部氣液兩相流動(dòng)特點(diǎn)，計(jì)算獲得的壓力分布、速度分布和空化區(qū)域符合在實(shí)驗(yàn)室觀察到的流動(dòng)規(guī)律。為研究氣液兩相尾水管渦帶流動(dòng)的產(chǎn)生發(fā)展機(jī)理提供了新的手段。

4 水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)的應(yīng)用

水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)完成了國(guó)家重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目5項(xiàng)，省部重點(diǎn)項(xiàng)目9項(xiàng)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目4項(xiàng)，三峽、溪洛渡、向家壩等國(guó)家重大項(xiàng)目的技術(shù)攻關(guān)10多項(xiàng)，重大工程的技術(shù)論證20多項(xiàng)；開(kāi)發(fā)了高性能的JF系列混流式水輪機(jī)，JK、JP系列軸流式水輪機(jī)；完成了三峽右岸、溪洛渡、向家壩等大型水電工程國(guó)際招標(biāo)中同臺(tái)對(duì)比復(fù)核試驗(yàn)10項(xiàng)，新疆下板地、雙牌等電站的水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)11項(xiàng)；承接了越南北平電站、土耳其BH電站等國(guó)際機(jī)電成套項(xiàng)目4項(xiàng)；完成百余座水電站、泵站的技術(shù)改造，數(shù)十座新建電站的水力模型應(yīng)用；代表中國(guó)參加2 個(gè)IEC 工作組制定新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，主編、參編國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)14項(xiàng)，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)；取得了新型質(zhì)量法流量標(biāo)定裝置、高精度靜壓軸承扭矩測(cè)量裝置等專(zhuān)利技術(shù)8項(xiàng)。水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)取得的主要工程應(yīng)用成果如下：

（1）水力機(jī)械流動(dòng)理論與優(yōu)化設(shè)計(jì)。完成了黃河小浪底電站水輪機(jī)、萬(wàn)家寨引黃用水泵、三峽電站水輪機(jī)、二灘電站水輪機(jī)、抽水蓄能電站高水頭可逆式水泵水輪機(jī)、南水北調(diào)工程用泵等國(guó)家和省部委下達(dá)的重大攻關(guān)任務(wù)，大幅提高了解決國(guó)家重點(diǎn)工程關(guān)鍵技術(shù)難題的能力［3］。提出了可考慮入口環(huán)量分布、考慮旋轉(zhuǎn)影響的葉輪的準(zhǔn)三維S2流面有限元設(shè)計(jì)方法，建立了水力機(jī)械內(nèi)部三維黏性數(shù)值模擬模型和計(jì)算方法、三維兩流體固液、氣液兩相流數(shù)值模擬模型及磨損破壞預(yù)估模型。

突破傳統(tǒng)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)方法的局限，創(chuàng)新葉片變環(huán)量分布和葉片積疊成型等技術(shù)，改良翼型，形成了獨(dú)特的水力設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了水輪機(jī)和水泵水力模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，水力模型最優(yōu)效率率先在國(guó)內(nèi)突破93%和94%大關(guān)，研究成果在多個(gè)重大水利水電工程建設(shè)中得到應(yīng)用［4］。

（2）水力機(jī)械質(zhì)量檢驗(yàn)和性能驗(yàn)收。水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)作為國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)“水電站水力設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心”的重要組成部分，依據(jù)IEC、GB等標(biāo)準(zhǔn)廣泛開(kāi)展水輪機(jī)、水泵及水泵水輪機(jī)的模型復(fù)核試驗(yàn)和同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)、原型水輪發(fā)電機(jī)組、水泵機(jī)組和水泵水輪機(jī)組等的現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量檢驗(yàn)、性能驗(yàn)收和安全鑒定試驗(yàn)等，完成了三峽右岸、溪洛渡、烏東德、引漢濟(jì)渭三河口、大藤峽等20余個(gè)國(guó)家重大水電工程水輪機(jī)模型的同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，模型試驗(yàn)的水電站總裝機(jī)容量超過(guò)7500萬(wàn)kW，約占全國(guó)水電總裝機(jī)容量的1/4。

（3）水電站和水泵站增效擴(kuò)容改造。提出水電站水輪機(jī)改造解決方案，建立“量體裁衣”的個(gè)性化解決流程。針對(duì)近萬(wàn)座農(nóng)村水電站增效擴(kuò)容改造工程提出的多約束多目標(biāo)的水力設(shè)計(jì)問(wèn)題，創(chuàng)建了具備多約束多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)能力的水輪機(jī)和水泵水力設(shè)計(jì)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了覆蓋混流式水輪機(jī)全水頭范圍、性能優(yōu)秀的17個(gè)系列158個(gè)混流式水輪機(jī)水力模型和40個(gè)離心和軸/貫流式水泵模型。成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外200多座水電站和52座泵站，約460臺(tái)機(jī)組，全部達(dá)到或超出預(yù)期指標(biāo)。

5 結(jié)論

中國(guó)水科院開(kāi)發(fā)搭建的水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)，服務(wù)和推動(dòng)了新型、高效水力機(jī)械的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)及推廣應(yīng)用，促進(jìn)了科研和水電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，為水力機(jī)械同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)和模型驗(yàn)收提供了平臺(tái)支撐和技術(shù)服務(wù)。

5.1 平臺(tái)的主要技術(shù)創(chuàng)新（1）發(fā)明了水沙隔離裝置和高精度泥沙濃度測(cè)試方法，解決了在渾水條件下水力機(jī)械外特性、空化初生和磨損特性測(cè)試等相關(guān)技術(shù)難題，首創(chuàng)了水力機(jī)械模型渾水測(cè)試系統(tǒng)。（2）研制了高精度的流量計(jì)原位標(biāo)定系統(tǒng)和臥式靜壓軸承，提高了水力機(jī)械模型性能測(cè)試精度，建成了國(guó)際一流的水力機(jī)械模型清水測(cè)試系統(tǒng)。（3）自主原創(chuàng)開(kāi)發(fā)了水力機(jī)械模型磨損試驗(yàn)方法，采用易損涂層實(shí)現(xiàn)磨損部位和強(qiáng)度的快速測(cè)試，填補(bǔ)了磨損模型測(cè)試的空白。（4）CFD數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)相結(jié)合，創(chuàng)立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水力機(jī)械兩相流數(shù)值模擬及磨損預(yù)估模型。

5.2 平臺(tái)的應(yīng)用（1）將CFD 計(jì)算分析、水力機(jī)械開(kāi)發(fā)和模型觀測(cè)試驗(yàn)三方面有機(jī)結(jié)合起來(lái)，用模型觀測(cè)試驗(yàn)驗(yàn)證、修改CFD 軟件及水力設(shè)計(jì)，通過(guò)CFD 計(jì)算分析研究探索模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的規(guī)律，促進(jìn)了兩個(gè)平臺(tái)協(xié)同發(fā)展。（2）同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)是我國(guó)的一項(xiàng)重大管理機(jī)制創(chuàng)新，增強(qiáng)了投標(biāo)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)新型高性能水力機(jī)械的積極性，整體提高了投標(biāo)水力機(jī)械的性能水平。通過(guò)近十個(gè)水電工程的水輪機(jī)、水泵水輪機(jī)同臺(tái)對(duì)比試驗(yàn)，為電站優(yōu)選水力模型的同時(shí)發(fā)現(xiàn)了空化和穩(wěn)定性等方面的新問(wèn)題、新現(xiàn)象。（3）研發(fā)的水力機(jī)械新模型、新技術(shù)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)中國(guó)的小水電建設(shè)和水電站技術(shù)更新改造做出了很大貢獻(xiàn)，幫助和扶持了中小水電設(shè)備企業(yè)，為我國(guó)水電設(shè)備“走出去”做出了一定貢獻(xiàn)。（4）水力機(jī)械研發(fā)平臺(tái)的建設(shè)促進(jìn)了科研創(chuàng)新工作深入發(fā)展，使我們?cè)诳鼓ゲ牧虾图夹g(shù)研發(fā)、磨損測(cè)試及模擬、整裝機(jī)研制、渾水測(cè)試及小型水電站運(yùn)行穩(wěn)定性研究等方面獲得許多創(chuàng)新型成果，并將部分成熟經(jīng)驗(yàn)與成果應(yīng)用于主編或參編的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，推動(dòng)了行業(yè)技術(shù)進(jìn)步。