高水头混流式水轮机尾水管内部流场流动非常复杂,对机组的运行稳定性影响也很大。虽然采用CFD技术已能在最优工况附近较好地数值模拟计算出尾水管中三维流场分布,但是对偏离最优工况的大部分运行工况的流场数值模拟结果误差还是较大。为更好的指导高水头混流式水轮机的流道优化设计,以及验证和修正流场数值模拟方法,需要采用先进测试技术对多工况下尾水管的流场进行测试分析研究。本课题以某高水头混流式水轮机模型试验为基础,针对尾水管内部流场流动测试要求,采用激光多普勒测速技术(LDV)对其锥管段的内部流场开展测试分析,得到了小开度工况、大开度工况、最优工况的尾水管测试半径上的流速分布和湍流强度分布。根据流速分布推算出涡带的范围、变化特性以及与速度脉动的关系。以流速测试结果作为进口边界条件,及测试断面作为尾水管进口,对尾水管流场进行数值模拟,并对各工况下的尾水管内部流线分布与压力分布进行了分析,与LDV测试数据相结合,来探索不同工况参数下尾水管内流场的流动特性。通过对尾水管的流场测试和数值模拟分析,得到的主要结论如下:(1)测试半径中心区域的轴向速度和周向速度变化规律良好,受边界层的影响,近壁区域的轴向速度的衰减趋势比周向速度更为明显;通过测试流量与实际流量对比得出最大相对误差1.826%;轴向与周向的湍流强度在同一数量级,但各工况的周向湍流强度高于轴向湍流强度,湍流强度受涡带的影响较为明显。(2)在小开度工况出现的空化涡带和大开度工况的柱状涡带。小开度工况下的尾水管空化涡带范围在0~0.4R之间,大开度工况下的尾水管柱状涡带范围在0~0.25R之间;在小开度工况下,瞬时周向速度在中心区域的脉动呈强烈的周期性,随着测点向边壁移动,瞬时周向速度脉动周期逐渐出现了双波峰,并最终离开涡带的影响区域而脉动减弱。(3)对小开度工况下瞬时周向速度脉动频域图分析得到的结果表明,各测点的瞬时周向速度脉动频率的算术平均值为4.65Hz,推算此频率即是小开度工况下尾水管锥管段涡带的变化频率,约为转频16.7Hz的0.28倍。(4)对尾水管数值模拟的结果表明,采用速度拟合曲线作为进口边界条件可较为合理的计算出尾水管内的流场分布。对比不同水头下各工况的尾水管流线分布和压力分布,可以得出:在较低水头下的小开度工况尾水管内流场分布规律更均匀,在较高水头下的大开度工况和最优工况尾水管内部流场分布更均匀,这与测试结果一致。本文结合东方电机公司开发的某高水头混流式水轮机项目需求,采用LDV测试技术对尾水管内流场的内特性开展的测试研究和分析的方法,证明所制定测试的方案和研究的方法是可行的,其测试结果与分析方法都是可靠的。通过流场测试与数值模拟相结合,可更加准确地掌握不同工况下尾水管内部流场分布,对水轮机的水力优化设计奠定更加坚实的基础。文中的方法和技术路线可以推广应用到其他反击式水轮机尾水管内流场测试。