灯泡式水轮机气核涡旋对水力不稳定性的影响机制研究

为解决低水位运行时气核涡旋(vortex)引发的两相流不稳定问题，研究人员采用双线性插值耦合涡场与大涡模拟(LES)，揭示了气核涡旋导致输出功率下降7.41%、熵产升高的机制。该研究为水力机械抗空化设计提供了重要理论支撑。

　　

当灯泡式水轮机(bulb turbine)在低水位工况下运行时，进水口处会形成致命的气核涡旋(air-core vortex)。这种特殊流态不仅会引发空气-水两相(air-water mixture)的剧烈旋转流，还会对机组造成结构性损伤。科研团队创新性地采用双线性插值技术，将涡旋流场与涡轮进口边界进行耦合，并运用大涡模拟(Large-Eddy Simulation, LES)成功复现了这种不稳定流动现象。

研究发现，气核涡旋的存在会使机组输出功率显著降低，运行效率大打折扣。当涡旋在进水通道内解体时，会转化为沿顶壁运动的空气-水混合物，而不会形成危险的气囊(air pocket)。更值得注意的是，气核涡旋会使螺旋涡绳(vortex rope)的螺距增大，同时扩大其失速区范围。实验数据显示，仅1.35%的进气率就会导致熵产(entropy production)增加7.41%，且主要损失集中在进水通道区域。

在压力脉动方面，气核涡旋的存在使进动频率(precession frequency)处的振幅增大，而高频成分则有所减弱。通过分析巴洛克林扭矩(b