Unsteady flow characteristics during runaway process in Francis turbine: Insights from numerical investigation

物理 机械 流量(数学) 涡轮机 过程(计算) 混流式水轮机 统计物理学 航空航天工程 经典力学 热力学 工程类 计算机科学 操作系统
作者
Yanyan Li,Longgang Sun,Pengcheng Guo
出处
期刊:Physics of Fluids [American Institute of Physics]
卷期号:36 (2) 被引量:7
标识
DOI:10.1063/5.0182355
摘要

The runaway process in hydraulic turbines is characterized by unstable flow that results in the formation of vortex structures, pressure fluctuations, and energy dissipation. This study focuses on the unsteady flow characteristics of a Francis turbine during the runaway process using numerical simulations. The obtained runaway speed and discharge align well with the experimental results. The findings reveal that larger openings lead to more rapid attainment of the runaway speed. During the runaway process, extensive flow separation at the runner blade generates a columnar vortex, which obstructs the channel and dissipates energy. High-amplitude pressure fluctuations, with a frequency below 0.5 times the blade frequency, are observed in the flow passage components. These pressure fluctuations are attributed to forming a columnar vortex structure at the hub and a sheet vortex band at the trailing edge of the runner blade. A large opening leads to an earlier occurrence of high-amplitude pressure fluctuations, a gradual increase in the amplitude of low-frequency fluctuations, and a more intense force in the runner. An analysis of the energy dissipation characteristics using the energy balance equation reveals that turbulence plays a dominant role in energy transfer and dissipation during the runaway process. Additionally, the dissipation is caused by the formation of a columnar vortex structure induced by flow separation at the blade hub and the presence of a sheet vortex band at the trailing edge. Furthermore, the findings observe that energy conversion and dissipation within the runner channel intensify with increasing guide vane opening.

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