CN105740501B - 一种基于定常数值计算的泵装置水力稳定性分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种泵站水力稳定性的分析方法，特别是对于多工况运行的泵站，属于水利工程泵站技术领域。基于泵装置全流道的三维定常数值计算结果获取出水流道进口断面各点的切向速度；构建了动量参数SM的计算式；采用动量参数SM计算式对出水流道进口断面的切向速度进行求解。本发明方法先进科学，采用该方法可综合比较不同方案泵装置的水力稳定性，避免仅采用泵装置效率作为评价指标的单一性，也解决了采用三维非定常数值计算求解泵装置全流道计算耗时长和对硬件设备要求高的问题，有利于实际泵站的水力稳定性快速分析，节约泵站方案比较的时间周期，达到加快泵站工程方案选择进度的目的，也为不同方案泵装置的优选提供了一种可靠的方法。

Description

一种基于定常数值计算的泵装置水力稳定性分析方法
技术领域
本发明涉及一种泵站水力稳定性的分析方法，特别是对于多工况运行的泵站，属于水利工程泵站技术领域。
背景技术
泵站机组的稳定性表现在机组的水力振动与机械、电气振动两个方面，其中机械、电气振动所占的影响已经很小且预防改善措施很多，水力振动的诱因是泵装置内部流态引起的。近年来国内部分泵站相继出现了振动问题，不仅影响了正常的生产任务，有的甚至危及到泵站的安全运行，因此，泵装置水力稳定性已引起了泵装置设计部门及制造行业的普遍关注，也给行业内的专家学者提出了新的研究课题，目前，泵装置水力稳定性分析主要采用基于CFD非定常数值计算的泵装置水力脉动特性分析方法，但该方法耗费时间长，且计算结果数据文件大，对计算机的硬件设备要求高，为解决该问题，本发明提供一种基于定常数值计算的泵装置水力稳定性的分析方法，同时也为分析多工况时泵装置水力稳定性及多方案泵装置水力稳定性比较提供了一种新的思路。
发明内容
本发明专利的目的就是针对上述实际工程泵装置水力稳定性分析存在的问题，提供一种简便可靠的多工况泵装置水力稳定性的分析方法，主要解决2个方面问题：①解决了泵装置水力稳定性分析耗时，对硬件要求高的问题；②提出了一种多工况多方案泵装置水力稳定性比较的一种分析方法。
本发明的技术方案，一种基于定常数值计算的泵装置水力稳定性分析方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)对泵装置全流道进行数学建模，采用计算流体动力学方法(CFD方法)对数学模型进行三维定常数值求解，获取多工况时泵装置出水流道进口断面各点的切向速度数值和各点的坐标，切向速度记为：vt。
(2)在获取的出水流道进口断面各点的坐标值基础上，通过下列计算式求出ri，即第i个网格节点至出水流道进口断面中心的半径，ri计算式如下：
式中：xi，yi分别为第i个网格节点的坐标；xo，yo为出水流道进口断面中心的坐标；
(3)在考虑进水流道、叶轮及导叶体间的动静干涉相互作用后，出水流道内的水流一方面沿轴向前进，一方面受导叶体出口剩余环量的影响引起旋转而产生进动，可采用当量力矩M予以表示，构建出水流道进口旋流的动量参数SM来定量地表征泵装置整体运行稳定性情况，无因次动量参数SM的表达式为：
其中：
式中：M为出水流道进口断面的当量力矩；Q为泵装置流量，m3/s；η为泵装置效率，％；Din为出水流道进口断面直径，m；ρ为水的密度，kg/m3；ri为第i个网格节点至出水流道进口断面中心的半径，m；i为网格节点的编号；vti为第i个网格节点的切向速度；N为网格节点的总数。
对泵装置全流道进行三维数值计算，给出出水流道进口断面各网格节点的切向速度和坐标数据，利用步骤(2)求出各网格节点至出水流道进口断面中心的半径，在上述求解结果基础上采用步骤(3)可求出该工况时泵装置的动量参数SM，利用SM的数值分析泵装置整体的水力稳定性；
为分析不同方案泵装置水力稳定性的差异性，在步骤(3)的基础上，选择任意一个方案泵装置的动量参数SM作为基准，记为SMS，定义△SMj-s为其余各方案的动量参数SMj(其中：j为其余各方案的编号)与该方案的动量参数SMS的差值，以分析不同方案泵装置水力稳定性的差异性。
有益效果
本发明方法先进科学，通过本发明，基于泵装置全流道的三维定常数值计算结果获取出水流道进口断面各点的切向速度；构建了动量参数SM的计算式；采用动量参数SM计算式对出水流道进口断面的切向速度进行求解。
采用该方法可综合比较不同方案泵装置的水力稳定性，避免仅采用泵装置效率作为评价指标的单一性，也解决了采用三维非定常数值计算求解泵装置全流道计算耗时长和对硬件设备要求高的问题，有利于实际泵站的水力稳定性快速分析，节约泵站方案比较的时间周期，达到加快泵站工程方案选择进度的目的，也为不同方案泵装置的优选提供了一种可靠的方法。
泵站是重要的水利基础设施，在大范围内的农田和区域抗旱、防洪排涝、城镇供水，污水排放和跨流域调水等方面均起着关键的作用。泵装置的水力稳定性受到越来越多的关注，尤其在泵站科研的前期，业主方均要求进行泵装置的水力稳定性分析，2015年中央一号文件《关于加大改革创新力度加快农业现代化建设的若干意见》中提到了灌排泵站为农业服务的重要性，水环境的综合治理以及城市防洪标准体系提高，这些社会大背景都为本发明专利的推广应用提供了机遇。本发明专利积极响应了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020年)所确定的“节能”优化主题。本发明专利通过定常数值计算的泵装置进行动量参数计算以分析该泵装置的水力稳定性，为泵站的装置形式选择提供了一种水力稳定性的比选方法，采用本发明专利优选的方案将有利于实际泵站的水力稳定性的快速分析，节约泵站方案比较的时间周期，达到加快泵站工程方案选择进度的目的，由此将带来巨大的经济效益和社会影响。
附图说明
图1为基于定常数值计算的泵装置水力稳定性分析的流程图。
图2为不同方案泵装置的动量参数的差值比较。
具体实施方式
以下结合附图以及附图说明对本发明作进一步的说明。
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细阐述，一种基于定常数值计算的泵装置水力稳定性分析方法流程图如图1所示。现有4套进水流道不同的泵装置(方案1、方案2、方案3及方案4)，采用步骤(1)的方法对4套泵装置进行全流道数值求解，获取出水流道进口断面各网格节点的切向速度和坐标数据，采用步骤(2)中的计算方法计算出各网格节点至出水流道进口断面中心的半径ri，在步骤(2)的基础上采用步骤(3)的方法求解4套各方案泵装置的动量参数SM，以分析各套泵装置水力稳定性的差异性。采用步骤(4)的方法，以方案3的动量参数SM为基准，记为SM3；其余各方案泵装置与方案3的动量参数SM3的差值，记为SMj-3，其中j取1，2，4。经计算结果如图2所示，图2中：横坐标流量系数KQ表示泵装置不同的运行工况。通过不同方案泵装置的动量参数差值的比较分析4种方案泵装置水力稳定性的差异性。
在计算工况范围内，不同方案的泵装置动量参数均随流量系数KQ的增大而减小，表明流量系数大泵装置机组水力稳定性相对较好。方案1泵装置的动量参数SM最小，方案3泵装置的动量参数最大。流量系数KQ在(0.498～0.634)范围内，4套泵装置的水力稳定性差别并不明显，方案1与方案3的动量参数最大差值为0.025，最小差值为0.007。从动量参数差值△SM进行分析，流量系数在(0.362～0.634)范围内时，动量参数差值随流量系数的增大而减小，在流量系数KQ＝0.317时，动量参数差值再次降低，在整个计算工况范围内，动量参数差值随流量系数的增大先增大后减小。

Claims (2)

1.一种基于定常数值计算的泵装置水力稳定性分析方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)对泵装置全流道进行数学建模，采用计算流体动力学方法对数学模型进行三维定常数值求解，获取多工况时泵装置出水流道进口断面各点的切向速度数值和各点的坐标，切向速度记为：vt；
(2)在获取的出水流道进口断面各点的坐标值基础上，通过下列计算式求出ri，即第i个网格节点至出水流道进口断面中心的半径，ri计算式如下：
<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
式中：xi，yi分别为第i个网格节点的坐标；xo，yo为出水流道进口断面中心的坐标；
(3)在考虑进水流道、叶轮及导叶体间的动静干涉相互作用后，出水流道内的水流一方面沿轴向前进，一方面受导叶体出口剩余环量的影响引起旋转而产生进动，可采用当量力矩M予以表示，构建出水流道进口旋流的动量参数SM来定量地表征泵装置整体运行稳定性情况，无因次动量参数SM的表达式为：
其中：
式中：M为出水流道进口断面的当量力矩；Q为泵装置流量，m3/s；Din为出水流道进口断面直径，m；ρ为水的密度，kg/m3；ri为第i个网格节点至出水流道进口断面中心的半径，m；i为网格节点的编号；vti为第i个网格节点的切向速度；N为网格节点的总数；
对泵装置全流道进行三维数值计算，给出出水流道进口断面各网格节点的切向速度和坐标数据，利用步骤(2)求出各网格节点至出水流道进口断面中心的半径，在上述求解结果基础上采用步骤(3)可求出该工况时泵装置的动量参数SM，利用SM的数值分析泵装置整体的水力稳定性。
2.根据权利要求1所述的基于定常数值计算的泵装置水力稳定性分析方法，其特征是：为分析不同方案泵装置水力稳定性的差异性，在步骤(3)的基础上，选择任意一个方案泵装置的动量参数SM作为基准，记为SMS，定义△SMj-s为其余各方案的动量参数SMj与该方案的动量参数SMS的差值，以分析不同方案泵装置水力稳定性的差异性，其中，j为其余各方案的编号。
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