在当今世界能源转型和我国科技长征的大背景下,能源行业面临着从粗放的资源密集型运营方式向高效的科技密集型运营方式转变,这意味着相关上游行业和相关研究应该增强创新并保证可靠。水电作为成熟的可再生能源在并入电网时应保证其可靠性,所以水轮机机组运行时应尽力避免振动,维持整个机组的运行稳定性。造成机组不稳定的一项重要原因就是压力脉动,尤其尾水管中的低频压力脉动是造成机组剧烈振动的重要原因之一。当水轮机运行在非设计工况,这种压力脉动的来源主要是尾水涡带,由于尾水涡带引起的压力脉动在某些情况下甚至可能毁坏整个机组、管路系统甚至厂房。在不同工况下,尾水管中的涡带形态特征,发展规律都呈现出不同的特性,成为制约水轮机稳定运行的重要因素。所以大量学者针对尾水涡带做了深入研究,主要集中在尾水涡带的形成机理,发展特性,以及改善措施,尝试寻找合理可行的方法来抑制尾水涡带,减少由涡带引起的压力脉动。本文选取混流式水轮机作为研究对象,以理论分析,模型实验并结合数值模拟的手段,详细分析尾水管各个部分内流场特征,研究尾水管涡带的形成机理和泄水锥改型对涡带不稳定性和压力脉动特性等的影响,尝试寻求高效高精准的手段来改善涡带,减弱由于涡带旋转带来的不良影响。同时为后续的相关研究做好铺垫和探索,推进水电行业发展。(1)结合水力实验台进行的水轮机模型实验得到的录像,分析水轮机运行在不同工况下所产生的不同涡带形态及其发展规律。将水轮机在运行特性曲线划分为无涡区,碎涡区,旋转涡区,柱涡区等。其中16mm开度下旋转涡带具有典型的螺旋状结构,随着转轮同向旋转,周期性“抽动”尾水管。并着重研究在此工况下泄水改型对涡带形态的影响,并采用傅立叶变换对实验数据进行处理,发现泄水锥改型可以改变涡带形态并影响尾水管压力脉动。(2)分别选取旋转涡区的完整旋转涡带,破碎旋转涡带和柱涡区的完整柱涡带,破碎柱涡带4种不同的工况,采用稳态数值模拟的方法,探究涡带的形成机理并对其进行不稳定性分析。在旋转涡区,由于转轮出口存在速度环量和压力梯度作用,可形成螺旋状有形涡带,且尾水管入口处的流动状态为相对不稳定流动,所以在此处增加泄水锥可以有效改善涡带。(3)在原型泄水锥的基础上对泄水锥进行改型,选择典型的螺旋状涡带和柱状涡带工况进行稳态计算,对比不同结构形式泄水锥对各个部件流场信息的影响,发现异形泄水锥有利于帮助流体轴向流动,从而使得涡带舒展伸直,长直泄水锥则会在一定程度上减小轴向主流,导致涡带螺旋加剧。而在柱涡工况下长直泄水锥会使得涡带旋转加剧,但是异形泄水锥则会强化射流。(4)选取16mm活动导叶开度工况进行非定常全流道计算,可以确定尾水管的低频压力脉动来源于尾水涡带,且脉动幅值与螺旋状涡带的旋转半径正相关。尾水管入口可能存在的高频脉动来源于动静干涉,但进入尾水管后会逐渐消失。泄水锥改型对脉动主频略有影响,基础泄水锥和异形泄水锥可以大幅削弱动静干涉,对于在降低压力脉动幅值方面长直泄水锥效果更好。