[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

本發明提出了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，屬于水泵水輪機特性分析技術領域。所述方法通過CFD數值模擬方法模擬瞬態飛逸過渡過程，確定單位參數及外特性的變化規律。通過飛逸過渡過程的瞬態計算獲得了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具體分析流場壓力脈動的頻率成分和來源。同時對一個周期內飛逸過渡過程中流域的壓力和流態的演變過程進行分析，并從渦量的角度解釋特殊頻率成分的形成原因。

技術領域

本發明涉及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，屬于水泵水輪機特性分析技術領域。

背景技術

抽水蓄能電站最重要的組成部分是水泵水輪機，由于具有水泵和水輪機的雙重角色，水泵水輪機在運行過程中會經歷復雜的過渡過程，我國對水泵水輪機過渡過程的研究起步較晚，而過渡過程的特性是衡量抽水蓄能電站穩定性的關鍵因素之一，所以對水泵水輪機的過渡過程進行深入地研究對水泵水輪機的優化設計、安全穩定的運行及充分發揮其經濟效益有著很重要的工程實際意義。

現有的針對水泵水輪機運行過程的特性分析方法基本上是選取一系列工況點進行穩態計算去覆蓋四個象限，另一方面主要集中在水輪機反S區和水泵駝峰區。但是缺少對水泵水輪機過渡過程的連續過程中工況之間的頻繁轉換、壓力脈動特性以及各種特殊流動的演變規律的研究分析。關于水輪機的過渡過程的研究，更多的是關注如何使用CFD數值模擬準確的實現水輪機瞬態過渡過程和研究水輪機瞬態過渡過程中外特性，而針對實際上水輪機瞬態過渡過程中外特性會發生劇烈的變化，這些變化產生的誘因很少有相關的分析。

發明內容

本發明為了解決上述現有技術中不足，提出了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，所采取的技術方案如下：

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，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；

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。