基于能量梯度理论的混流式水轮机尾水管改进方法技术

本发明专利技术提出了一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法。本发明专利技术包括如下步骤：步骤(1)模拟尾水管内的流动物理参数；步骤(2)计算整个流场的能量梯度函数K；步骤(3)找到尾水管内流动最不稳定的位置；步骤(4)改变隔离墩的数量，找到最优隔离墩数量；步骤(5)改变隔离墩的位置，找到最优隔离墩位置。本发明专利技术利用CFD技术和能量梯度理论，通过对比不同隔离墩设置条件下的能量梯度函数K值的大小，来确定最优的隔离墩设置。得到的混流式水轮机尾水管隔离墩设置可以减小部分工况条件下水轮机尾水管内涡带的大小，进而减轻压力脉动，提高水轮机的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提出了一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法。本专利技术包括如下步骤：步骤(1)模拟尾水管内的流动物理参数；步骤(2)计算整个流场的能量梯度函数K；步骤(3)找到尾水管内流动最不稳定的位置；步骤(4)改变隔离墩的数量，找到最优隔离墩数量；步骤(5)改变隔离墩的位置，找到最优隔离墩位置。本专利技术利用CFD技术和能量梯度理论，通过对比不同隔离墩设置条件下的能量梯度函数K值的大小，来确定最优的隔离墩设置。得到的混流式水轮机尾水管隔离墩设置可以减小部分工况条件下水轮机尾水管内涡带的大小，进而减轻压力脉动，提高水轮机的稳定性。【专利说明】
本专利技术属于水利水电
，尤其是涉及一种。
技术介绍
水轮机在运行过程中，水流经过蜗壳、导水机构、转轮及尾水管等过流部件时会产生摩擦、撞击、涡流、脱流等复杂流动现象，其中尾水管内流动不稳定对水轮机性能的影响非常大。当水轮机偏离最优流量运行时，尾水管内会出现偏心涡带，引起水流紊乱，使其内部水力损失急速增大。由于涡带的不稳定，能够引起机组振动。另一方面，涡带的中心压力很低，还可能产生对水轮机危害极大的空蚀。因此，尾水管内涡带引起的压力脉动以及内部的水力损失对水轮机性能的影响很大。目前，当水电机组出现尾水管偏心涡带引起的振动时，通常采用两种措施减轻其影响。一种是对转轮区进行补气，这种方法虽然在一定程度上减小了振动，但其也引起了许多不良现象，如水轮机出力会降低、转轮后面的压力脉动增大等。另一种是在尾水管内加导流隔板，隔板可以设置在尾水管各个部位，其中尾水管扩散段隔板位置对效率的影响非常大。现有的尾水管大多在扩散段设置一到两个隔板(隔离墩)，然而没有明确的研究说明隔离墩位置和个数对尾水管性能的影响。尤其是目前我国水电机组常常处于非设计工况下，其稳定性问题日益突出，亟待优化尾水管设计。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有研究的不足，提供一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案如下:步骤(I).模拟尾水管内的流动物理参数；步骤(2).计算整个流场的能量梯度函数K ；步骤(3).找到尾水管内流动最不稳定的位置；步骤(4).改变隔离墩的数量，找到最优隔离墩数量；步骤(5).改变隔离墩的位置，找到最优隔离墩位置。 步骤(I)所述的模拟尾水管内的流动物理参数具体如下:1-1.利用CFD技术模拟混流式水轮机尾水管内的流动，得到整个流场的物理参数；所述的物理参数包括水流速度、压强、湍流粘度，具体获取如下:针对部分工况条件下的水轮机，采用CFD技术对混流式水轮机尾水管内的非定常流动进行数值模拟，模拟过程中控制方程采用非定常三维不可压缩的雷诺平均纳维-斯托克斯方程和连续性方程模拟尾水管内的流动，同时使用RNG k-ε双方程湍流模型封闭方程组；网格采用非结构化的四面体网格，并利用有限体积法对非结构化网格下的控制方程在空间上进行离散；时间推进采用半隐式的格式；然后，在计算域上施加边界条件，分别在给定的几何参数和不同的流动条件下，进行模拟计算，得到尾水管内的三维湍流场随时间的变化规律，并获得流场物理参数，包括水流速度、压强和湍流粘度。所述的边界条件具体如下:(I)入口条件:尾水管入口速度用Batchelor涡表示，具体设置如下。采用圆柱坐标(r' Θ，z*), Batchelor涡的径向、切向、轴向速度分量分别为如下:【权利要求】1.一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法；其特征在于包括如下步骤: 步骤(1).模拟尾水管内的流动物理参数； 步骤(2).计算整个流场的能量梯度函数K; 步骤(3).找到尾水管内流动最不稳定的位置； 步骤(4).改变隔离墩的数量，找到最优隔离墩数量； 步骤(5).改变隔离墩的位置，找到最优隔离墩位置。2.如权利要求1所述的一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法；其特征在于步骤(I)所述的模拟尾水管内的流动物理参数具体如下: 1-1.利用CFD技术模拟混流式水轮机尾水管内的流动，得到整个流场的物理参数； 所述的物理参数包括水流速度、压强、湍流粘度，具体获取如下: 针对部分工况条件下的水轮机，采用CFD技术对混流式水轮机尾水管内的非定常流动进行数值模拟，模拟过程中控制方程采用非定常三维不可压缩的雷诺平均纳维-斯托克斯方程和连续性方程模拟尾水管内的流动，同时使用RNG k-ε双方程湍流模型封闭方程组；网格采用非结构化的四面体网格，并利用有限体积法对非结构化网格下的控制方程在空间上进行离散；时间推进采用半隐式的格式；然后，在计算域上施加边界条件，分别在给定的几何参数和不同的流动条件下，进行模拟计算，得到尾水管内的三维湍流场随时间的变化规律，并获得流场物理参数，包括水流速度、压强和湍流粘度。3.如权利要求2所述的一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法；其特征在于所述的边界条件具体如下: (1)入口条件:尾水管入口速度可以用Batchelor涡表示，具体设置如下； 采用圆柱坐标(r' θ，ζ*)，Batchelor涡的径向、切向、轴向速度分量分别为: 4.如权利要求1所述的一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法；其特征在于步骤(2)所述的计算整个流场的能量梯度函数K具体如下: 2-1.根据窦华书教授的能量梯度理论，推导出应用于混流式水轮机尾水管内的能量梯度函数公式； 根据能量梯度理论，混流式水轮机尾水管内的能量梯度函数K的计算公式为:5.如权利要求1所述的一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法；其特征在于步骤(3)所述的找到尾水管内流动最不稳定的位置具体如下: 3-1.根据能量梯度函数K值的大小，找到流动最不稳定的位置，判断的标准是K值越大，流动越不稳定。6.如权利要求1所述的一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法；其特征在于步骤(4)所述的改变隔离墩的数量，找到最优隔离墩数量具体如下: 4-1.针对尾水管内流动不稳定的位置，设置尾水管隔离墩；通过步骤I的数值模拟计算和步骤2的能量梯度函数K，确定最佳的隔离墩数量i ;确定最佳隔离墩数量的标准如下:若隔离墩数量i的设置，使尾水管内的能量梯度函数K值最小，即水力损失最小，尾水管性能最优，则i个隔离墩的数量为最佳； 在部分负荷条件下，水流经过尾水管扩散段时，会形成两股对称的漩涡；根据步骤I的数值模拟计算和步骤2的能量梯度函数K，发现在尾水管扩散段3设置两个隔离墩4，参看I所示，能有效地阻碍漩涡的发展，减小了尾水管涡带。7.如权利要求1所述的一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法；其特征在于步骤(5)所述的改变隔离墩的位置，找到最优隔离墩位置具体如下: 5-1.针对尾水管内流动不稳定的位置，设置尾水管隔离墩位置；分别将隔离墩中心设置在尾水管扩散段的三分之一、四分之一、五分之一点、七分之一点、八分之一点处； 设隔离墩中心位置距离扩散段外侧边的距离为山尾水管扩散段的宽度为B，将隔离墩中心设置在尾水管扩散段的三分之一、四分之一、五分之一点、七分之一点、八分之一点处； 8.如权利要求6或7所述的一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法；其特征在于所述的隔离墩的竖直截面为直角梯形，与弯肘段出口相连接的为短边面；且该隔离墩短边面为半圆柱形；隔离墩上设置有三个通孔，三个通孔具体位置如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量梯度理论的尾水管改进方法；其特征在于包括如下步骤： 步骤(1).模拟尾水管内的流动物理参数； 步骤(2).计算整个流场的能量梯度函数K； 步骤(3).找到尾水管内流动最不稳定的位置； 步骤(4).改变隔离墩的数量，找到最优隔离墩数量； 步骤(5).改变隔离墩的位置，找到最优隔离墩位置。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：窦华书，牛琳，蒋威，贲安庆，马晓阳，郑路路，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33