一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法技术

本发明专利技术提出了一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法，属于水泵水轮机特性分析技术领域。所述方法通过CFD数值模拟方法模拟瞬态飞逸过渡过程，确定单位参数及外特性的变化规律。通过飞逸过渡过程的瞬态计算获得了水泵水轮机在各个部件处的流场压力脉动随时间的变化规律，并通过快速傅里叶变换和短时傅里叶变换来具体分析流场压力脉动的频率成分和来源。同时对一个周期内飞逸过渡过程中流域的压力和流态的演变过程进行分析，并从涡量的角度解释特殊频率成分的形成原因。

【技术实现步骤摘要】
一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法
本专利技术涉及一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法，属于水泵水轮机特性分析

技术介绍
抽水蓄能电站最重要的组成部分是水泵水轮机，由于具有水泵和水轮机的双重角色，水泵水轮机在运行过程中会经历复杂的过渡过程，我国对水泵水轮机过渡过程的研究起步较晚，而过渡过程的特性是衡量抽水蓄能电站稳定性的关键因素之一，所以对水泵水轮机的过渡过程进行深入地研究对水泵水轮机的优化设计、安全稳定的运行及充分发挥其经济效益有着很重要的工程实际意义。现有的针对水泵水轮机运行过程的特性分析方法基本上是选取一系列工况点进行稳态计算去覆盖四个象限，另一方面主要集中在水轮机反S区和水泵驼峰区。但是缺少对水泵水轮机过渡过程的连续过程中工况之间的频繁转换、压力脉动特性以及各种特殊流动的演变规律的研究分析。关于水轮机的过渡过程的研究，更多的是关注如何使用CFD数值模拟准确的实现水轮机瞬态过渡过程和研究水轮机瞬态过渡过程中外特性，而针对实际上水轮机瞬态过渡过程中外特性会发生剧烈的变化，这些变化产生的诱因很少有相关的分析。
技术实现思路
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【技术保护点】
1.一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：步骤一：分别以蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管为计算区域建立水泵水轮机的三维瞬态计算模型，利用网格划分方法对所述三维瞬态计算模型的计算域进行离散，并通过网格无关性验证确定网格节点数；步骤二：利用CFD数值模拟方法模拟水泵水轮机瞬态飞逸过渡过程，获得水泵水轮机瞬态飞逸过渡过程中，单位转速和单位流量变化曲线、模型试验静态曲线、飞逸过渡过程中流量和转速随时间的变化规律曲线、转轮水力矩随时间的变化曲线和转轮所受径向力随时间的变化曲线；步骤三：根据所述单位转速和单位流量变化曲线、模型试验静态曲线、飞逸过...

【技术特征摘要】
1.一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法，其特征在于，所述分析方法包括：步骤一：分别以蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管为计算区域建立水泵水轮机的三维瞬态计算模型，利用网格划分方法对所述三维瞬态计算模型的计算域进行离散，并通过网格无关性验证确定网格节点数；步骤二：利用CFD数值模拟方法模拟水泵水轮机瞬态飞逸过渡过程，获得水泵水轮机瞬态飞逸过渡过程中，单位转速和单位流量变化曲线、模型试验静态曲线、飞逸过渡过程中流量和转速随时间的变化规律曲线、转轮水力矩随时间的变化曲线和转轮所受径向力随时间的变化曲线；步骤三：根据所述单位转速和单位流量变化曲线、模型试验静态曲线、飞逸过渡过程中流量和转速随时间的变化规律曲线、转轮水力矩随时间的变化曲线和转轮所受径向力随时间的变化曲线确定水泵水轮机单位参数和外特性的变化规律；步骤四：通过飞逸过渡过程的瞬态计算获得水泵水轮机在各个部件处的流场压力脉动随时间的变化规律，并通过快速傅里叶变换和短时傅里叶变换来确定流场压力脉动的频率成分和来源，进而完成所述水泵水轮机动态特性分析；其中，所述频率成分中包括特殊频率成分a、特殊频率成分b和特殊频率成分g；步骤五：截取飞逸过渡过程的第一个运动周期，根据所述第一个运动周期内的特殊时刻的流道内的压强和流线分布情况获得水泵水轮机内流特性；步骤六：根据叶栅区域及转轮中间流面的涡量分布情况获得特殊频率成分a、特殊频率成分b和特殊频率成分g的形成原因；步骤七：根据涡量输运方程的涡的拉伸弯扭项确定双列叶栅及转轮区域内的旋涡流动形成机理，进而完成水泵水轮机内流特性分析；其中，对于质量力有势的不可压缩流体，简化的涡量输运方程如下：方程中，表示涡的拉伸弯扭项；表示涡的粘性扩散项。2.根据权利要求1所述动态特性及内流特性分析方法，其特征在于，在步骤二所述利用CFD数值模拟方法模拟水泵水轮机瞬态飞逸过渡过程的具体步骤包括：第一步：分别对三维瞬态计算模型中的蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管五个计算区域的边界条件进行设置，具体设置为：蜗壳进口段的边界条件设置为Pressure-inlet；尾水管出口段的边界条件设置为Pressure-outlet；转轮区域采用滑移网格模型；蜗壳出口和固定导叶进口，固定导叶出口和活动导叶进口，活动导叶出口和转轮进口，转轮出口和尾水管进口设置为4对interface边界条件；利用初始工况点的参数计算稳态初场，作为后续瞬态计算的初始化条件；第二步：对湍流模型进行设置，具体设置为：湍流模型采用RNGk-ε模型，并采用SIMPLEC算法对流动控制方程进行数值求解；第三步：进行计算设置，具体设置为：数值计算中所有参数的收敛残差均设置为1.0e-5；非稳态计算中，采用的时间步长为0.0017秒，每一个时间步的最大迭代步数设置为30步；第四步：根据转子动力学计算出转轮转速。3.根据权利要求2所述动态特性及内流特性分析方法，其特征在于，第四步所述转轮转速的计算过程包括：根据转子动力学，获得转子角动量平衡方程，所述转子角动量平衡方程如下：其中，M——转子所受的合力矩(N·m)；J——转子转动惯量(kg·m2)；ω——转子角速度(rad/s)；t——时间(s)；将所述转子角动量平衡方程进行离散，运用C语言将离散后的方程形式编制成Fluent用户自定义函数，在Fluent中加载编译，用以控制转轮的转动...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘全忠，苏文涛，夏煜星，王兴茹，徐科繁，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23