[發明專利]一種針對水泵水輪機在飛逸過渡過程的動態特性及內流特性分析方法

有效

• 申請號: 201810996209.6
• 申請日: 2018-08-29
• 公開（公告）號: CN109268200B
• 公開（公告）日: 2020-07-14
• 發明（設計）人: 劉全忠;蘇文濤;夏煜星;王興茹;徐科繁
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: F03B15/00
• 分類號: F03B15/00;F03B13/06;G06F30/20;G06F30/28;G06F111/10;G06F119/14
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司 23211
• 代理人: 安琪

1.一種針對水泵水輪機在飛逸過渡過程的動態特性及內流特性分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：

步驟一：分別以蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪和尾水管為計算區域建立水泵水輪機的三維瞬態計算模型，利用網格劃分方法對所述三維瞬態計算模型的計算域進行離散，并通過網格無關性驗證確定網格節點數；

步驟二：利用CFD數值模擬方法模擬水泵水輪機瞬態飛逸過渡過程，獲得水泵水輪機瞬態飛逸過渡過程中，單位轉速和單位流量變化曲線、模型試驗靜態曲線、飛逸過渡過程中流量和轉速隨時間的變化規律曲線、轉輪水力矩隨時間的變化曲線和轉輪所受徑向力隨時間的變化曲線；

步驟三：根據所述單位轉速和單位流量變化曲線、模型試驗靜態曲線、飛逸過渡過程中流量和轉速隨時間的變化規律曲線、轉輪水力矩隨時間的變化曲線和轉輪所受徑向力隨時間的變化曲線確定水泵水輪機單位參數和外特性的變化規律；

所述確定水泵水輪機單位參數和外特性的變化規律的具體過程為：

第1步：結合單位轉速和單位流量變化曲線與模型試驗靜態曲線，獲得水泵水輪機動態特性為：水輪機制動區域進入反水泵工況區域的路徑與水輪機從反水泵工況重新進入水輪機制動工況不同；

第2步：根據所述飛逸過渡過程中流量和轉速隨時間的變化規律曲線，獲得水泵水輪機動態特性為：水泵水輪機在飛逸工況下表現為等幅震蕩現象，并且所述等幅震蕩現象有明顯的周期性；

第3步：截取所述飛逸過渡過程中流量和轉速隨時間的變化規律曲線的第一個周期內的變化規律曲線并放大；根據所述第一個周期內的變化規律曲線，獲取水泵水輪機的單位參數變化規律為：所述水泵水輪機在單位參數上表現為動態環，在宏觀參數上表現為周期性變化規律；

第4步：提取轉輪水力矩隨時間的變化曲線，對所述轉輪水力矩隨時間的變化曲線進行快速傅里葉變換和短時傅里葉變換；獲得水泵水輪機的動態特性為：在每個周期內均存在一段波動很劇烈的時間段，所述時間段具體發生在零力矩附近，此時機組轉速達到飛逸轉速；

第5步：根據轉輪所受徑向力隨時間的變化曲線，獲得水泵水輪機的外特性變化規律為：徑向力在圓周上分布比較均勻，轉輪不會朝特定的方向偏向；轉輪所受徑向力幅值先是逐漸減小后趨于平穩；

步驟四：通過飛逸過渡過程的瞬態計算獲得水泵水輪機在各個部件處的流場壓力脈動隨時間的變化規律，并通過快速傅里葉變換和短時傅里葉變換來確定流場壓力脈動的頻率成分和來源，進而完成所述水泵水輪機動態特性分析；其中，所述頻率成分中包括特殊頻率成分a、特殊頻率成分b和特殊頻率成分g；

步驟五：截取飛逸過渡過程的第一個運動周期，根據所述第一個運動周期內的特殊時刻的流道內的壓強和流線分布情況獲得水泵水輪機內流特性；

步驟六：根據葉柵區域及轉輪中間流面的渦量分布情況獲得特殊頻率成分a、特殊頻率成分b和特殊頻率成分g的形成原因；

步驟七：根據渦量輸運方程的渦的拉伸彎扭項確定雙列葉柵及轉輪區域內的旋渦流動形成機理，進而完成水泵水輪機內流特性分析；其中，對于質量力有勢的不可壓縮流體，簡化的渦量輸運方程如下：

方程中，表示渦的拉伸彎扭項；

表示渦的粘性擴散項。

2.根據權利要求1所述動態特性及內流特性分析方法，其特征在于，在步驟二所述利用CFD數值模擬方法模擬水泵水輪機瞬態飛逸過渡過程的具體步驟包括：

第一步：分別對三維瞬態計算模型中的蝸殼、固定導葉、活動導葉、轉輪和尾水管五個計算區域的邊界條件進行設置，具體設置為：蝸殼進口段的邊界條件設置為Pressure-inlet；尾水管出口段的邊界條件設置為Pressure-outlet；轉輪區域采用滑移網格模型；蝸殼出口和固定導葉進口，固定導葉出口和活動導葉進口，活動導葉出口和轉輪進口，轉輪出口和尾水管進口設置為4對interface邊界條件；利用初始工況點的參數計算穩態初場，作為后續瞬態計算的初始化條件；

第二步：對湍流模型進行設置，具體設置為：湍流模型采用RNGk-ε模型，并采用SIMPLEC算法對流動控制方程進行數值求解；

第三步：進行計算設置，具體設置為：數值計算中所有參數的收斂殘差均設置為1.0e-5；非穩態計算中，采用的時間步長為0.0017秒，每一個時間步的最大迭代步數設置為30步；

第四步：根據轉子動力學計算出轉輪轉速。