第1章 绪论
1.1 引言
清洁与可再生能源的综合开发与利用是国际学术前沿和我国可持续发展的重要战略方向，关系到政治、经济、社会以及生态环境可持续发展等诸多方面，能源短缺与供需矛盾，以及水电能源和洁净新能源可持续发展问题已经成为影响世界政治经济格局、主导国家关系、影响国家能源安全、制约国民经济发展的重要问题，同时也一直是全世界关注的焦点问题。特别是核电的安全问题也因2011年日本大地震引发海啸涌浪导致的福岛核电泄漏事故引起世界各国高度重视[1]。从近期我国能源规划报告可以看到，在我国电力组成中，水力发电是*清洁的可再生能源[2，3]。我国水力资源丰富，具有较广阔的开发利用前景，近年来开发的力度日增，因此对大中型水轮机需求量较大。根据国家“十三五”水电发展目标，全国新开工常规水电和抽水蓄能电站各6000万kW左右，新增投产水电6000万kW，2020年水电总装机容量达到3.8亿kW，其中常规水电3.4亿kW，抽水蓄能4000万kW，年发电量1.25万亿kW？h，折合标煤约3.75亿t，在非化石能源消费中的比重保持在50%以上。“西电东送”能力不断扩大，2020年水电送电规模达到1亿kW。预计2025年全国水电装机容量达到4.7亿kW，其中常规水电3.8亿kW，抽水蓄能约9000万kW，年发电量1.4万亿kW？h。2021年8月国家能源局提出2035年抽水蓄能装机规模将从3249万kW增加到3.05亿kW，助力实现碳达峰、碳中和目标。2021年10月24日，国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》提出，因地制宜开发水电，积极推进水电基地建设，“十四五”“十五五”期间均新增水电装机容量4000万kW左右，西南地区以水电为主的可再生能源体系基本建立。除已建成的长江三峡和黄河小浪底等水电站外，包括澜沧江、雅砻江和金沙江在内的一些西南高山峻岭地区的丰富水力资源，也都具备建设大型水电站的条件。目前，已经建成的就有小湾、龙滩、向家坝、糯扎渡、溪洛渡、乌东德、水布垭和白鹤滩等一大批大型水电站。这些大型水电站机组的单机容量都计划在500～700MW水平范围，它们将与二滩水电站和三峡水电站组成我国的超大型水力发电群，在全国各大电网中承担起重要的作用[4]。水能是目前公认的*经济的一种一次能源，水力发电则是*经济的电能转换方式。水力机组运转灵活，速动性高，使它成为电力系统*可靠的负荷备用和事故备用，由于水力机组在偏离设计工况运行时也具有较高的运行效率，它可以经济且灵活地担负起调节电力系统尖峰负荷的任务。因此，水力发电在参与电力系统运行时，占据一种十分*特的地位，特别是随着电力系统容量的扩大，水力发电的这种*特地位愈加显著[5]。
水轮机是水电站生产电能的水力原动机，是水电站*重要的动力设备之一，在电力工业中占有特殊的地位。水能经旋转的水轮机转换成机械能，再由发电机将机械能转换成电能。水轮机运行性能的好坏，将直接影响水电站乃至整个电力系统运行的技术经济水平。水轮机运行性能除与水轮机和水电站的运行方式和经营管理水平有关外，还与水轮机的设计、制造、安装、检修等多方面的质量和技术水平有关。因此，要提高水轮机的运行质量，实际上不仅取决于水轮机运行方式的改善，还必须从多方面入手，提高水轮机产品的设计和制造水平，采用新工艺、新结构，从计算流体动力学方面改善水轮机的能量和空蚀特性；在机组的安装、检修过程中，各零部件以及水轮机整体的*终状态应充分满足规范的技术要求；此外，对水轮机运行中存在的各类重大技术问题，必须开展广泛的理论和实验研究，寻找切实可行的解决方法。
水电站中一台运行性能良好的水轮机，应具备较高的运行稳定性、可靠性、经济性和灵活性。因此，水轮机必须具备较高的水能利用效率和较宽的高效率运行区域；具有良好的抗空蚀性能和抗泥沙磨损性能；运行过程中机组的振动和噪声小，为消除不稳定状态所采取的技术措施行之有效；水轮机具有良好的过渡过程品质和改善水轮机水力暂态特性的有效措施；此外，水轮机还应具备一整套经济合理的运营方式和设备检修方式。
一台单机50万kW的水轮发电机组，运行效率平均提高1%，每年可多发电能近2000万kW？h，当然由于某些制造或运行中的缺陷而使水轮机效率下降所带来的经济损失也是相当大的。空蚀性能良好的水轮机或某些水轮机在运行中可以采取有效的空蚀防护措施，不仅使水电站在初建时厂房水下开挖量和投资减少，而且也可以减少因空蚀破坏引起水轮机效率下降所带来的电能损失；另外，延长检修周期、缩短检修时间，也可降低检修费用和因停机检修所带来的电能损失。
水轮机由于各种原因引起的振动，不仅影响水轮机及其零部件的使用寿命，而且还影响机组的安全运行和整个电力系统的供电质量。严重的振动甚至造成机组功率摆动使机组无法正常运转；当引起电力系统电力共振时，电力系统也无法正常工作。在国内外均曾发生过水轮机甩负荷反水锤或水轮机进入向心式水泵工况，而使机组转动部分上抬的事故，其中有的事故所造成的设备损坏是无法修复的。这说明合理的调节方式对保证水轮机在过渡工况下安全运转的重要性。只有当电力系统要求水力机组投运而后者能立即以*短的时间启动、并列时，它才能真正起到电力系统的负荷备用和事故备用的作用，延迟启动几分钟所造成的综合损失也是很大的。
对于工作在多泥沙河流水电站的水轮机，过流部件常遭到强烈的泥沙磨损而破坏，所以泥沙磨损常是决定机组大修周期的主要因素。除遭到严重损坏的零部件的修复需要消耗大量的工时和材料外，由于停机检修所带来的电能损失和运行中过流部件损坏使水轮机效率下降所带来的电能损失都是非常大的。因此，改善多泥沙河流水电站水轮机的抗泥沙磨损性能具有很重要的实际意义。
综上所述，在水电站所有的动力设备中，水轮机的工作条件*严酷，不仅转换的能量巨大，受力零件的应力很高，而且伴随高速水流所形成的特有的空蚀破坏、泥沙磨损、压力脉动等，对水轮机过流部件特别是对转轮构成了严重的威胁；此外，当负荷变动时要求在很短的时间内准确、安全地改变水轮机的运行工况。因此，改善水轮机的运行性能是提高水电站运行水平的关键因素之一。
要使水电站在电力系统中经济、可靠地参与联合运行，就必须成功地解决一系列水轮机的特殊运行问题，其中包括：水轮机的空蚀、水轮机泥沙磨损、水轮机过渡过程、水轮机振动、水轮机原型试验和水轮机的经济运行等。这些问题也是我国水轮机专业领域和水电站运行领域面临的一些*重要的研究课题。这一系列课题的研究结果，将有可能大大改善水轮机的运行性能，提高水轮机运行的技术经济水平，因而有着重要的实际意义[6]。
1.2 水力机械流体力学概述
1.2.1 工程现代流体力学概述
现代流体力学是用现代的理论方法、数值计算和试验技术，研究与人类社会生产和生存相关的各领域的流动问题[7]。许多现代科学技术所关心的问题既受流体力学的指导，同时也促进了流体力学不断地发展。现代流体力学的进展是和采用各种数学分析方法，以及建立使用大型、精密的实验设备和仪器等研究手段分不开的。自从1687年牛顿发现宏观物体运动的基本定律以来，直到20世纪50年代初，研究流体流动规律的主要方法有两种：实验研究和理论研究[8]。随着流体力学研究的进展，实验研究和理论研究各自的优势和困难逐渐为人们所认识。流体力学实验研究主要是在水洞、风洞、水槽、激波管、水电比拟等设备中进行模型试验或实物试验，能够在与所研究的问题完全相同或大体相同的条件下进行观测。它的优点是可以利用现代各种先进测试技术（如PIV、LDV等），给出许多工程流动的准确、可靠的测试结果，这些结果对于复杂流动机理的研究和与流体有关的工程结构和机械的设计具有不可替代的作用。但是实验研究通常费用高昂、周期很长；而且有些流动条件（高速、高温流动）难以通过实验手段来模拟，还会受到模型尺寸的限制和边界条件的影响。流体力学理论研究，*先是对流体及其运行进行合理简化和近似，设计恰当的理论模型；然后根据普遍物理定律和流体力学公式，建立描述流体流动规律的积分形式或微分形式封闭方程组，以及与之相应的初始条件和边界条件，并利用数学工具分析求解方程组以揭示流体量的变化规律；*后将解与实验或观察比较，确定解的准确度及适应范围。它的优点是可以给出具有一定适用范围的简洁明了的解析解或近似解析解。这些解对于分析复杂的流动机理和预测流动随某些参数变化而变化的情况非常有参考价值。其缺点是一般只能研究较为简单的流动问题。由于流体的流动具有强非线性，所研究问题的数学物理模型有时需要经过较大的简化处理，在这种条件下得到的解析解的适用范围非常有限，而且能够得到解析解的问题也为数不多，远远不能满足工程设计的需要。随着现代高性能计算机的出现，产生了研究流体流动规律及相关物理现象的“第三种方法”—计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）。CFD出现于第二次世界大战前后，在20世纪60年代左右逐渐形成了一门*立的学科。发展CFD的主要动机是利用高性能计算机这一新的工具，克服理论研究和实验研究的缺点，深化对于流体流动规律及相关物理现象的认识并提高解决工程实际问题的能力。通过CFD得到的是在某一特定流体流动区域内，在特定边界条件和流动参数的特定取值下的离散的数值解。因而，通过一次CFD计算，我们无法预知流动参数变化对于流动的影响和流场的精确分布情况。因此，它提供的数值解相关信息肯定不如理论解析解详尽、完整。从这一点上来说CFD与实验研究相近，所以用CFD研究流体流动的变化过程也称为数值实验。但是，与理论研究相比CFD的*大优点是它原则上可以研究流体在任何复杂条件下的流动过程。在CFD中采用简化数学物理模型的目的在于提高计算效率以及和计算机硬件水平相适应；如果计算机条件允许，在求解各种任意复杂的流动问题时，都可以采用*适合流体流动物理本质的数学物理模型。因此，CFD使得研究流体流动的范围逐渐扩大，同时研究流体流动的能力也有了本质的提高。在模拟某些极端条件下（超速、超高温等）流体流动方面，和实验研究相比CFD也显示出了明显的优势。除此之外CFD还具有费用少、周期短的优点。如今，CFD已经取得了和理论研究及实验研究同等重要的地位，流体力学的研究呈现出“三足鼎立”之势。三种研究方法之间密切联系，取长补短，彼此影响，相互促进。理论研究提供了各种描述流体流动的丰富的数学物理模型；而实验研究发现了流体流动中许多奇妙和有重要实际意义的现象；CFD则架起了从流体流动现象到数学物理模型之间的桥梁，成为研究流体力学的重要手段之一。事实上，无论是理论研究还是实验研究，数值模拟这一工具都是不可或缺的。20世纪60年代，基于固体力学和飞机结构力学的需要，出现了弹性力学问题的有限单元法。经过十多年的发展，有限单元法这种新的计算方法又开始在流体力学中应用，尤其是在流体低速流动和流动边界形状较为复杂的问题中，其优越性越发显著。近年来又开始用有限元方法研究高速流动的问题，也出现了有限元方法和有限差分方法的互相渗透和融合。20世纪60年代以后，计算流体动力学的迅速发展使流体力学内涵不断地得到了充实与提高。流体力学开始和其他学科互相交叉渗透，形**的交叉学科或边缘学科，如物理-化学流体动力学、磁流体力学、生物流体力学、地球和星系流体力学、非牛顿流体力学等；原来基本上只是定性描述的问题，逐步得到定量的研究，生物流变学就是一个例子。总之，计算流体动力学是一门交叉性很强的学科。它的理论基础是理论流体力学和计算数学，它的实现依赖于适当的计算机软硬件环境，而它的应用则遍及所有与流动现象有关的学科及工业领域。现代计算流体动力学从单相流体运动的模拟向多相流动模拟发展，从单纯的流体运动模拟向包括传热、传质方向发展。如模拟电站尾水管道中的水气明满流过渡过程和高拱坝泄洪消能问题，在水中掺混大量气体，需要模拟水、气两相流动。对于火力发电厂的高温排水问题以及燃气机内部的燃烧问题，不但需要模拟流体的流动，还需模拟温度传输过程。由于温度等物
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