一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，具体包括如下步骤：步骤1，采用一组离散形状参数对双向贯流式水轮机尾水管三部分结构的形状进行控制，确定双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量；步骤2，建立双向贯流式水轮机尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算流程，以获取水力性能参数；然后建立水力性能优化设计数学模型，根据该模型获取尾水管优化设计的目标函数和优化过程中的约束条件；步骤3，以步骤1所得的设计变量参数集合X中的几何形状参数为优化设计变量，以步骤2所得的水力性能参数为优化目标函数开展尾水管几何形状的优化设计。解决了目前传统贯流式水轮机尾水管设计方法工作效率低的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法
本专利技术属于水力机械部件的优化
，涉及一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法。
技术介绍
双向贯流式水轮机是海洋潮汐能源开发领域中的关键设备，双向贯流式水轮机的尾水管在正向发电时起引导水流流向下游的作用，在反向发电时则起进水管的作用，因此其水力性能对双向贯流式水轮机的能量特性有至关重要的影响。目前，套用常规已有的贯流式水轮机尾水管并依据CFD数值模拟的分析结果进行改型是普遍的双向贯流式水轮机尾水管的设计方法。这种方法极度依赖设计者的设计经验，而且在尾水管的改型优化的过程中由于需要兼顾其正向和反向发电时的水力性能使得该方法耗费时间长，无法准确获得能均衡提升正向和反向发电状态下尾水管水力性能的全局最优解，所以迫切需要一种新方法来提升双向贯流式水轮机尾水管的技术水平及设计工作效率。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，解决了目前传统贯流式水轮机尾水管设计方法工作效率低、无法获得能兼顾正向和反向发电状态下尾水管水力性能的全局最优解的问题。本专利技术所采用的技术方案是，一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，具体包括如下步骤：步骤1，采用一组离散形状参数对双向贯流式水轮机尾水管三部分结构的形状进行控制，确定双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量；步骤2，基于CFD数值分析方法建立双向贯流式水轮机尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算流程，以获取其在正、反向流动工况下水力性能参数；然后建立双向贯流式水轮机尾水管水力性能优化设计数学模型，根据该模型获取尾水管优化设计的目标函数和优化过程中的约束条件；步骤3，以步骤1所得的设计变量参数集合X中的几何形状参数为优化设计变量，以步骤2所得的水力性能参数为优化目标函数开展尾水管几何形状的优化设计。本专利技术的特点还在于，步骤1的具体过程如下：按双向贯流式水轮机尾水管正向流动工况时的水流方向定义进、出口，所述一组离散形状参数包括：锥管段a的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X1；锥管段b的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X2；过渡段的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X3；锥管段a的出口截面的直径D1；锥管段b的出口截面的直径D2；过渡段出口截面处的圆角正方形的边长H1以及圆角半径R1，离散形状参数X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1即为双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，上述7个设计变量构成了如下公式(1)中的设计变量参数集合X：X＝{X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1}(1)。步骤2的具体过程为：步骤2.1，建立尾水管网格划分流程；步骤2.2，建立正、反向流动工况下对尾水管进行水力性能分析计算流程，获得尾水管在正、反向流动工况下的水力性能参数；步骤2.3，根据步骤2.2所得的水力性能参数，建立尾水管水力性能优化设计的数学模型如下式(4)所示，通过该优化模型获取优化过程中的目标函数和优化过程中的约束条件：步骤2.2的具体过程如下：通过编写Pre.bat、Solver.bat和Post.bat这三个批处理文件实现尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算，并获得尾水管在正、反向流动工况下的水力性能参数；Pre.bat批处理文件的处理过程为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYSCFX的前处理模块，加载步骤2.1中输出的尾水管网格并分别按正向和反向流动工况下尾水管进、出口对应的流动条件完成边界条件的设置以及湍流模型的选取，然后分别输出正向和反向流动工况对应的前处理定义文件，然后分别输出正向和反向流动工况对应的前处理定义文件；Solver.bat批处理文件的处理过程为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYSCFX的求解器模块，分别加载Pre.bat批处理文件中输出的正向和反向流动工况对应的前处理定义文件，进行尾水管在正向流动工况和反向流动工况下的水力性能计算，得到正向流动工况下水流进口截面处的平均静压pis1、正向流动工况下水流出口截面处的平均静压pis2、正向流动工况下水流进口截面处的平均流速Vis1、正向流动工况下水流出口截面处的平均流速Vis2、反向流动工况下水流进口截面处的平均静压pos1、反向流动工况下水流出口截面处的平均静压pos2、反向流动工况下水流进口截面处的平均流速Vos1、反向流动工况下水流出口截面处的平均流速Vos2，其中，pis1和pis2的单位均为Pa、Vis1和Vis2的单位为m/s、Vis1和Vis2的单位为m/s、pos1和pos2的单位为Pa；Post.bat批处理文件的处理过程为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYSCFX的后处理模块，分别加载Solver.bat批处理文件在正向和反向流动工况下的数值计算结果，并根据下式(2)、(3)计算获得正向和反向流动工况下尾水管的水力损失值，得到的水力性能损失值即为水力性能参数，然后将结果输出至文本文件中保存：上式中，Δhi为正向流动工况下尾水管的水力损失值，单位为m，Δho为反向流动工况下尾水管的水力损失值，单位为m；Δhi和Δho即为所求的水力性能参数。步骤3的具体过程为：根据公式(4)所示的优化设计模型在优化计算软件ISIGHT中设置目标函数为Δhi和Δho，设计变量为公式(1)所示的尾水管几何形状参数以及约束条件为L≥X3≥X2≥X1和H1≥D2≥D1≥D0，并采用优化计算软件ISIGHT开展尾水管几何形状的优化设计，在优化过程中最终得到优化后的尾水管几何形状。本专利技术的有益效果如下：(1)采用本专利技术所提出的优化设计方法可同时改善了正向和反向发电状态下的贯流式水轮机尾水管的水力性能；(2)本专利技术所提出的优化设计方法的过程全部由计算机完成，自动化程度高，极大节约了人力成本。同时该优化设计方法不依赖于设计者的设计经验，而是采用智能优化算法对设计空间进行优化探索，易于获得具有创新性的设计方案。附图说明图1是本专利技术一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法中尾水管的结构示意图；图2是本专利技术一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法中尾水管几何控制变量的示意图。图中，1.锥管段a，2.锥管段b，3.过渡段，4.截面a，5.截面b。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。已知需要被优化的双向贯流式水轮机尾水管的原始几何形状，双向贯流式水轮机尾水管的几何形状包括三部分，分别为如图1所示的锥管段a1、锥管段b2以及过渡段3。在正向流动工况时，图2(a)中的截面a4为水流进口截面，截面b5为水流出口截面；在反向流动时，图2(a)中的截面a4为水流出口截面，截面b5为水流进口截面。图2(a)中给出尾水管整体的俯视图，图2(b)中给出截面b5的具体几何形状示意图。本专利技术一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，具体包括如下步骤：步骤1，采用一组离散形状参数对双向贯流式水轮机尾水管三部分结构的形状进行控制，确定双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，双向贯流式水轮机尾水管三部分结构包括依次连接的锥管段a1、锥管端b2及过渡段3；具体为：按双向贯流式水轮机尾水管正向流动工况时的水流方向定义进、出口，则这组离散形状参数包括：锥管段a1的出口截面(同时也是锥管段b2的进口截面)距离转轮旋转中心本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1，采用一组离散形状参数对双向贯流式水轮机尾水管三部分结构的形状进行控制，确定双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，双向贯流式水轮机尾水管三部分结构包括依次连接的锥管段a(1)、锥管端b(2)及过渡段(3)；步骤2，基于CFD数值分析方法建立双向贯流式水轮机尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算流程，以获取其在正、反向流动工况下水力性能参数；然后建立双向贯流式水轮机尾水管水力性能优化设计数学模型，根据该模型获取尾水管优化设计的目标函数和优化过程中的约束条件；步骤3，以步骤1所得的设计变量参数集合X中的几何形状参数为优化设计变量，以步骤2所得的水力性能参数为优化目标函数开展尾水管几何形状的优化设计。

【技术特征摘要】
1.一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：步骤1，采用一组离散形状参数对双向贯流式水轮机尾水管三部分结构的形状进行控制，确定双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，双向贯流式水轮机尾水管三部分结构包括依次连接的锥管段a(1)、锥管端b(2)及过渡段(3)；步骤2，基于CFD数值分析方法建立双向贯流式水轮机尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算流程，以获取其在正、反向流动工况下水力性能参数；然后建立双向贯流式水轮机尾水管水力性能优化设计数学模型，根据该模型获取尾水管优化设计的目标函数和优化过程中的约束条件；步骤3，以步骤1所得的设计变量参数集合X中的几何形状参数为优化设计变量，以步骤2所得的水力性能参数为优化目标函数开展尾水管几何形状的优化设计。2.根据权利要求1所述的一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程如下：按双向贯流式水轮机尾水管正向流动工况时的水流方向定义进、出口，所述一组离散形状参数包括：锥管段a(1)的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X1；锥管段b(2)的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X2；过渡段(3)的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X3；锥管段a(1)的出口截面的直径D1；锥管段b(2)的出口截面的直径D2；过渡段(3)出口截面处的圆角正方形的边长H1以及圆角半径R1，离散形状参数X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1即为双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，上述7个设计变量构成了如下公式(1)中的设计变量参数集合X：X＝{X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1}(1)。3.根据权利要求2所述的一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，其特征在于：所述步骤2的具体过程为：步骤2.1，建立尾水管网格划分流程；步骤2.2，建立正、反向流动工况下对尾水管进行水力性能分析计算流程，获得尾水管在正、反向流动工况下的水力性能参数；步骤2.3，根据步骤2.2所得的水力性能参数，建立尾水管水力性能优化设计的数学模型如下式(4)所示，通过该优化模型获取优化过程中的目标函数和优化过程中的约束条件：4.根据权利要求3所述的一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，其特征在于：所述步骤2.2的具体过程如下：通过编写Pre.bat、Solver.bat和Post.bat这三个批处理文件实现尾水管在正、反向流...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱国俊，罗兴锜，冯建军，吴广宽，卢金玲，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61