[發(fā)明專利]一種預測水輪機泥沙磨損特性的沖蝕動網格耦合方法

在審

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• 申請日: 2023-05-16
• 公開（公告）號: CN116644681A
• 公開（公告）日: 2023-08-25
• 發(fā)明（設計）人: 黃劍峰;申恒峰;楊松;張蕾蕾;孫彥增
• 申請（專利權）人: 北部灣大學
• 主分類號: G06F30/28
• 分類號: G06F30/28;G06T17/20;G06F30/25;G06F111/10;G06F113/08;G06F119/14
• 代理公司: 北京同輝知識產權代理事務所(普通合伙) 11357
• 代理人: 遲愛浩

本發(fā)明提供一種預測混流式水輪機泥沙磨損特性的沖蝕動網格耦合方法，涉及水力發(fā)電技術領域。該預測混流式水輪機泥沙磨損特性的沖蝕動網格耦合方法，包括以下步驟：首先對混流式水輪機蝸殼進口到尾水管出口的整個全流道采用多面體混合非結構網格劃分，然后對連續(xù)相采用SSTk?ω湍流模型進行穩(wěn)態(tài)N?S方程計算，泥沙顆粒離散相在拉格朗日框架下采用穩(wěn)態(tài)顆粒追蹤；泥沙顆?？紤]重力及曳力的影響,顆粒反彈采用Grant模型，結合Oka模型計算壁面磨損，通過沖蝕動網格耦合方法計算泥沙沖蝕造成的壁面變形，通過該方法可更全面預測混流式水輪機的泥沙磨損水動力學特性，為長期受泥沙困擾電站的經濟高效運行提供有價值的參考。

技術領域

本發(fā)明涉及水力發(fā)電技術領域，具體為一種預測水輪機泥沙磨損特性的沖蝕動網格耦合方法。

背景技術

泥沙顆粒對壁面的碰撞磨損模型是混流式水輪機磨蝕機理的體現(xiàn)，更是目前用來進行磨蝕預測的工具，由于固相泥沙顆粒的物理屬性、運動參數以及磨損壁面材料屬性的多樣性，再加上研究方法的差異，導致目前顆粒對壁面的磨損模型種類繁多，目前，對混流式水輪機進行固液多相流的磨蝕數值計算有兩種方法：歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法；

歐拉-歐拉方法中仍將離散的顆粒相視為連續(xù)的擬流體相，由于實際中顆粒相本身是離散的且顆粒幾何尺度范圍較寬，在顆粒尺度較大情況下將其作為連續(xù)相處理會使結果與實際情況有較大誤差；

歐拉-拉格朗日方法，通過曳力模型傳遞相間數據，分析了流體的速度場、壓力場，顆粒群的速度、受力、顆粒-顆粒和顆粒-壁面的接觸作用力，當循環(huán)流與入口流匯合時，顆粒速度損失較大。

發(fā)明內容

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種預測水輪機泥沙磨損特性的沖蝕動網格耦合方法，解決了目前混流式水輪機進行固液多相流時通過歐拉-歐拉方法計算磨蝕數值的過程中，遭遇到顆粒尺度較大情況下將其作為連續(xù)相處理會使結果與實際情況有較大誤差的問題，同時解決了在采用歐拉-拉格朗日方法的過程中，當循環(huán)流與入口流匯合時，顆粒速度損失較大的問題。

為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術方案予以實現(xiàn)：一種預測水輪機泥沙磨損特性的沖蝕動網格耦合方法，包括以下步驟：

步驟一、首先統(tǒng)計出對應混流式水輪機的轉速以及葉片數量，從混流式水輪機蝸殼進口到尾水管出口的整個全流道計算網格采用多面體混合非結構網格劃分，并進行了網格光順和單元面交換來提高最后數值網格的質量；

步驟二、對混流式水輪機數值模擬連續(xù)相采用SSTk-ω湍流模型進行穩(wěn)態(tài)N-S方程計算，泥沙顆粒離散相在拉格朗日框架下采用穩(wěn)態(tài)顆粒追蹤，連續(xù)相與離散相在歐拉-拉格朗日框架下采用雙向耦合方式共同求解，并得出邊界條件與離散相顆粒離散相DPM模型方程；

步驟三、根據邊界條件與離散相模型方程引入顆粒的曳力系數的概念；

步驟四、離散相泥沙顆粒入射類型采用與流體相同速度從蝸殼進口以面源方式注入，泥沙顆?？紤]主要重力與曳力影響，壁面處的顆粒速度回彈采用了廣泛應用的Grant模型；

步驟五、根據對90度彎管磨損驗證方法可靠，然后采用Oka模型測算壁面磨損；

步驟六、利用準穩(wěn)態(tài)方法實現(xiàn)顆粒沖蝕與自動網格模型耦合計算混流式水輪機壁面磨損的演化過程，在求解過程的每一步中，流體流動和顆粒沖蝕模擬都以穩(wěn)態(tài)進行，而網格位置則由動態(tài)網格模型使用物理時間步長進行更新；當沖蝕與動網格耦合計算時，求得單個面的網格變形公式，并最終確認預測結果。

優(yōu)選的，所述步驟二中，流體相采用速度進口和自由出流邊界條件，在壁面處采用無滑移邊界條件，顆粒離散相DPM模型在拉格朗日坐標系中進行描述，控制方程為廣義牛頓第二定律：