CN107038295B - 一种水锤泵内部流道评价及优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水锤泵内部流道评价及优化方法，包括：初步设计；建立指标体系；建立数学模型；数值计算；数据判断；优化；样机研制；样机分析。本发明通过建立评价指标体系和相应的数学模型，对流道进行数值计算，并据此优化流道结构，获得水力性能较优的水锤泵内部流道。用这个指标体系在制造样机前对不同的流道进行评价，指导研发高性能水锤泵。通过多参数的分析对比，确定水锤泵优化流道。经过评价和优化后再制造样机，再开展模型试验，进行性能测试，这样，一个产品的研发往往只需要制造1~2次样机改型，就能实现产品定型，大大的节约了人力物力，提高了研制效率，加快了新产品的开发。
Description
技术领域
本发明涉及一种水锤泵内部流道评价及优化方法，是一种水工机械的设计研制方法，是一种水锤泵的数字化开发设计研制方法。
背景技术
水锤泵是一种自动泵水机械，利用流水的动力使两个止回阀周期性交替启闭所产生的水锤作用，将来流的一部分水泵送至更高的位置，在缺电、无电的山区、农村以及微水能资源丰富的城镇河道具有广阔的应用前景。
如何制造高效率、大扬水量的水锤泵产品，是人们最为关注的问题。早期的产品设计过程一般是：研究人员根据流体力学知识进行分析，草绘水锤泵的加工图纸；制造商按照图纸进行加工，制造样机；研究人员对水锤泵的各项性能进行实验测试，展开分析，并提出优化方案，绘制图纸；制造商加工产品，研究人员测试、分析、优化等。一个产品的定型需要多次进行图纸绘制、样机制造和模型试验，浪费了大量的人力和物力，研发周期长，且产品的性能往往存在很大的提升空间。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种水锤泵内部流道评价及优化方法。所述的方法通过评析水锤泵内部流道的性能，并据此优化流道结构，获得水力性能较优的水锤泵内部流道，是一种全数字化的设计研制开发方法。
本发明的目的是这样实现的：一种水锤泵内部流道评价及优化方法，所述方法的步骤如下：
初步设计的步骤：根据需求进行水锤泵初步设计，确定水锤泵的基本参数包括：作用水头、流道形式、各个尺寸要素；
建立指标体系的步骤：对水锤泵内部流道进行流体力学分析，建立相应的评价指标体系，包括：流道的水头损失系数、升力系数、阀瓣受力偏心距、出口流速分布均匀度；
建立数学模型的步骤：建立水锤泵内部流道数值计算的数学模型，包括数值计算方法、网格划分、边界条件；
数值计算的步骤：使用建立的数学模型对流道进行数值计算，获得相应的流道指标；
数据判断的步骤：对流道指标进行分析，判断流道的各项指标是否符合评价指标体系中的各项指标，如果“是”则确定设计参数，并进入样机研制的步骤，如果“否”则进入下一步骤；
优化的步骤：根据分析结果对流道参数进行优化，优化之后回到数值计算的步骤；
样机研制的步骤：根据确定的设计参数进行工程设计，并制造样机；
样机分析的步骤：对样机的各项指标进行测试，并分析各项测试参数是否符合指标体系的各项参数指标，同时判断扬水量、效率指标是否达到或超过已有产品的各项指标，如果“是”则结束过程，如果“否”回到优化的步骤。
进一步的，所述的流道的水头损失系数的计算公式为：
式中：E i 为断面总水头，；为断面的速度水头；g为重力加速度；为断面的压力水头；ρ为水的密度；z i 为断面的位置水头；E 2为水锤泵进口断面的总水头；E 1为泄水阀出口断面的总水头；V为动力水管水流流速，；Q为流经水锤泵的水量；A为动力水管的断面面积。
进一步的，所述的升力系数的计算公式为：
式中：Δp为水流作用于阀瓣的压强差，用公式计算，F为水流对泄水阀阀瓣的作用力，用F=F L － F U ，F L 为水流对阀瓣下表面的作用力，F U 为水流对阀瓣上表面的作用力，F L 、F U 用公式计算：
，
式中：S为泄水阀阀瓣的面域；p为阀瓣所受到的压力，p i 为离散的阀瓣微元i的压力；A i 为微元i的面积；对于连续的求解域，按等式第二项积分求解；对于离散的求解域，按等式第三项求解；
A V 为泄水阀阀瓣的面积，；D V 为阀瓣直径。
进一步的，所述的阀瓣受力偏心距的计算公式为：
式中：x、y为微元到阀瓣中心的距离在笛卡尔坐标系的分量；x i 、y i 为微元i的中心到阀瓣中心的距离在笛卡尔坐标系的分量。
进一步的，所述的出口流速分布均匀度的计算公式为：
式中：为水锤泵出口断面的平均轴向流速；u ai 为水锤泵出口断面上，各单元的轴向流速；n为水锤泵出口断面上的单元个数。
进一步的，所述的数值计算方法为RNG k-ε紊流模型，所述的RNG k-ε紊流模型的控制方程包括：连续方程、动量方程、湍动能k方程、湍动耗散率ε方程；
所述的连续方程为：
，
所述的动量方程为：
，
所述的湍动能k方程为：
，
所述的湍动耗散率ε方程为：
，
式中：S i 为源项；μ εff =μ +μ t ；；C μ =0.0845；α k =α ε =1.39；；C 1ε =1.42；C 2ε =1.68；；；η 0=4.337；β=0.012。
进一步的，所述的网格划分的方法是：
上池、动力水管以及泵体的转弯段、扩散段采用六面体结构化网格划分，泵体三通段、泄水阀及下池采用四面体、楔形体非结构网格和六面体结构网格混合的形式进行划分。
进一步的，所述的边界条件设定为：
水箱上侧为压力进口，下池上侧为压力出口，动力水管、水锤泵以及水箱、下池的其他边壁为固体壁面，采用标准化壁面函数进行处理。
本发明产生的有益效果是：通过建立评价指标体系和相应的数学模型，对流道进行数值计算，并据此优化流道结构，获得水力性能较优的水锤泵内部流道。用这个指标体系在制造样机前对不同的流道进行评价，指导研发高性能水锤泵。通过多参数的分析对比，确定水锤泵优化流道。经过评价和优化后再制造样机，再开展模型试验，进行性能测试，这样，一个产品的研发往往只需要制造1~2次样机，就能实现产品定型，大大的节约了人力物力，提高了研制效率，加快了新产品的开发。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明的实施例一所述方法的流程图；
图2是本发明的实施例一所述实例的水锤泵初步设计；
图3是本发明的实施例一所述实例的水锤泵优化设计；
图4是本发明实施例二至八中水锤泵系统的概念化示意图。
具体实施方式
实施例一：
本实施例是一种水锤泵内部流道评价及优化方法，所述方法的流程如图1所示。本实施例以数字化模拟的方式，在制造样机前对初步设计的水锤泵流道及其相应的关键部分提出工程设计要求和目标，并建立评价指标体系，之后再根据初步的设计建立数学模型，进行数值计算，确定其流道指标，通过对建立的指标体系和数学模型计算得到流道指标的对比分析，对流道优化。在确定优化流道后，制造样机，进行多工况试验，测试产品性能。这就解决了传统研发过程中多次制造样机和模型试验所带来的长周期和高研发经费的问题，开发产品的性能也能得到很大提升。
本实施例所述方法的步骤如下：
（1）初步设计的步骤：根据需求进行水锤泵初步设计，确定水锤泵的基本参数包括：作用水头、流道形式、各个尺寸要素。
首先根据需求进行水锤泵初步设计。所谓需求是指开发或者研制一种新型水锤泵所提出的最原始参数，例如：作用水头、来水量、扬水量、扬程等基本指标。
再根据这些基本指标进行新型水锤泵的初步设计。初步设计的基本内容是确定流道的形式，或者说水锤泵的样式，样式包括：水锤泵的变截面位置的选择，输水阀和泄水阀的位置选择，三通的位置选择等。样式确定后进入初步工程设计阶段，以确定水锤泵的各个要素的细部尺寸，包括：进水管直径、变径部分尺寸、输水阀尺寸、泄水阀尺寸、输水管直径等，是数学模型计算所需要的所有水锤泵尺寸数据。
（2）建立指标体系的步骤：对水锤泵内部流道进行流体力学分析，建立相应的评价指标体系，包括：流道的水头损失系数、升力系数、阀瓣受力偏心距、出口流速分布均匀度。
评判水锤泵的性能指标有许多，不可能一一计算，而应当是挑选最重要的一个或几个指标进行计算，获取最佳效果。指标的个数十分重要，指标项目太少，无法准确的评价水锤泵的总体性能，指标太多则计算过于复杂。挑选指标的重要性还在于对原始需求的响应，如：新型水锤泵是偏重于扬水量还是偏重于扬程等，根据这些需要选取指标。
本实施例根据最基本的需要提出四个指标，流道的水头损失系数ζ、升力系数φ、阀瓣受力偏心距x，y、出口流速分布均匀度V u 作为最基本指标，形成指标体系。这几项指标对水锤泵的性能起到关键性的作用，建立以水头损失系数、泄水阀升力系数、阀瓣受力偏心距和出口流速分布均匀度为水锤泵流道水力特性的评价指标是必要的。在实际设计中根据需要在这四个基本指标的基础上可以根据需要再增加其他指标。
水头损失系数用于评定势能转换为水流动能的水能利用率，其数值越小，该过程的能量损失越少，对水锤泵的性能更有利。
泄水阀升力系数决定了泄水阀开始关闭时水流的临界流速，临界流速的计算公式为，。由公式知，升力系数越大，临界流速越小，水锤泵可实现的最大扬程越低，因此，为提高水锤泵的最大扬程，需降低升力系数。水锤泵的高效区间通常是小于最大扬程的1/2，而水锤泵常用的泵水高度为5~50m的范围，因此，水锤泵的最大扬程宜大于120m。根据公式，a为水锤波速，1292m/s，V 0=0.91m/s。设计选定的阀瓣质量为1.2kg，阀瓣直径为0.12m，经计算，升力系数应小于2.51。
阀瓣受力偏心距反映了水流作用力偏离几何形心的大小，偏心距越大，泄水阀关闭时的阀杆和导轨摩擦阻力越大，对水锤泵的性能不利。阀瓣受力偏心距需小于阀杆半径，例如，本设计采用的阀杆直径为16mm，阀瓣受力偏心距需小于8mm。
出口流速分布均匀度也是一个十分重要的指标，分布均匀度越高，水锤泵的水力性能越好。
（3）建立数学模型的步骤：建立水锤泵内部流道数值计算的数学模型，包括数值计算方法、网格划分、边界条件。
数学模型有多种选择，零方程、一方程和两方程数学模型。目前，应用最广泛的是两方程模型。常见的两方程模型有标准k-ε紊流模型、RNG k-ε紊流模型和Realizable k-ε紊流模型。标准k-ε紊流模型的粘度系数μ 1假定是各向同性标量，与弯曲流线的情况不符，特别是在强旋流、弯曲流线流动过程中，会产生一定的失真，因此，并不适用于水锤泵这种会大量产生弯曲流线的分析。RNG k-ε模型在大尺度运动和修正后的粘度项中，体现了小尺度的影响，可以更好地处理高应变率及流线弯曲程度较大的流动。因此，数学模型需选择RNG k-ε紊流模型。
（4）数值计算的步骤：使用建立的数学模型对流道进行数值计算，获得相应的流道指标。本步骤是数学模拟的具体过程，即将设计中的水锤泵的各个参数代入数学模型中进行计算。经过模拟计算得到流道的各项性能参数指标。
（5）数据判断的步骤：对流道指标进行分析，判断流道的各项指标是否符合评价指标体系中的各项指标，如果“是”则确定设计参数，并进入样机研制的步骤，如果“否”则进入下一步骤。
将模拟计算得到的各个参数与指标体系中相应的参数进行比较，以确认流道的设计是否达到了设计要求。 参数指标体系与模拟计算的各个参数，不是简单比较，而是综合评价，以期达到水锤泵综合性能提升的目的。
（6）优化的步骤：根据分析结果对流道参数进行优化，优化之后回到数值计算的步骤。
优化不仅仅是尺寸的优化和调整，还包括水锤泵整体形状的调整，如变径段的位置等，当然也要包括输水阀和泄水阀的形状、尺寸的优化。
例如一个水锤泵模拟设计的优化过程如下：
初步设计的流道如图2所示，流道评价指标的数值见表1：
通过数值计算发现，该流道存在的问题为流道的水头损失系数和升力系数过大，造成的后果为，水能损失多，水锤泵的扬程低。因此，该流道不符合要求，需要优化。
由于初步设计的水锤泵存在水头损失系数和升力系数大的问题，对其进行优化，优化后的流道如图3所示。优化了变径段的位置：将变径段从泵体的进口位置移动到泄水阀附近；改变了泄水阀的形状，并相应调整、优化了泵体、泄水阀的整体尺寸。
优化后的数值模拟计算结果与优化前的模拟计算对比如表2所示：
经过对比，优化后的设计水头损失系数和升力系数小于初步设计，出口流速分布均匀度优于初步设计，阀瓣受力偏心距大于初步设计，且满足要求，因此，选择优化后的流道结构制造样机。
（7）样机研制的步骤：根据确定的设计参数进行工程设计，并制造样机。
以上的步骤停留在设计的模拟阶段。经过多次的模拟数值计算后，最终确定水锤泵的形式和多个关键性尺寸。需要进行实际的样机制造，并对样机的性能进行测试。因此，在确定水锤泵的形式和关键尺寸后，就要进行样机制造。
（8）样机分析的步骤：对样机的各项指标进行测试，并分析各项测试参数是否符合指标体系的各项参数指标；同时判断扬水量、效率等各项指标是否达到或超过已有产品的各项指标，如果“是”则结束过程，如果“否”回到优化的步骤。
完成样机制造后，即对样机进行性能测试，获取各项性能参数，并将这些性能参数与计算值和指标体系进行对比分析，确定是否达到了计算参数的水平，或者达到了指标体系的要求。即便达到了这些要求，还要与现有产品近似比对，因为开发新产品的目的通常是提高已有产品的性能。
如果没有达到上述目的，则需要找出影响性能的因素，回到优化的步骤，继续对原设计进行优化，调整，以及模拟计算等步骤，重复优化计算、制造的过程，直至达到工程目标。
本实施例经过数值模拟，能够将样机制造、性能测试的次数降为最低，以此节约了新型水锤泵研制开发的时间、经济成本。
实施例二：
本实施例是实施一的改进，是实施例一关于流道的水头损失系数的细化。
水锤泵流道的阻力系数决定了能量损耗的多少，是评价流道特性的一个重要指标。
图4是本实施例及下面的实施例中的水锤泵系统的概念化示意图，包括了水锤泵系统的水箱（上游水位）1，压力进口（上游水头）2，动力水管（主要的流动）3，水锤泵（泄水阀等其他水锤泵设施）4，下池（下游水位）5，压力出口（下游水头）6等概念化要素，还包括了在笛卡尔坐标系中的x、y、z三维方向示意。
水头损失系数的计算过程为：
(1)
式中：E i 为断面总水头，，m；为断面的速度水头，m；g为重力加速度，m2/s；为断面的压力水头，m；ρ为水的密度，kg/m3；z i 为断面的位置水头，m；下标“2”为水锤泵进口断面；下标“1”为泄水阀出口断面；V为动力水管水流流速，，m/s；Q为流经水锤泵的水量，m3/s；A为动力水管的断面面积，m2。
实施例三：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于升力系数的细化。
对于某一典型泄水阀，升力系数决定了阀门开始关闭的临界流速、效率以及最大扬程，它主要取决于水锤泵的流道结构。升力系数的计算原理为：
(6)
水流作用于阀瓣的压强差为：
(5)
式中：F为水流对泄水阀阀瓣的作用力，N；A V 为泄水阀阀瓣的面积，，m2；D V 为阀瓣直径，m。
水流对泄水阀阀瓣作用力为：
F=F L － F U (3)
式中：下标“L”表示阀瓣下表面，下标“U”表示阀瓣上表面。F L 或F U （F LorU ）的计算公式为：
(4)
式中：S为泄水阀阀瓣的面域；p i 为离散的阀瓣微元的压力，Pa；A i 为微元i的面积，m2。对于连续的求解域，按等式第二项积分求解；对于离散的求解域，按等式第三项求解。
实施例四：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于阀瓣受力偏心距细化。
泄水阀阀瓣受力的不均匀度是影响水锤泵的性能主要因素。阀瓣的上侧和下侧均受到水的压力，阀瓣受力的偏心距影响泄水阀的关闭速度。若偏心距过大，导杆与导轨的摩擦力增大，阀门关闭速度减慢，影响水锤泵的水力性能、阀门的结构强度及使用寿命，因此，阀门的偏心距最好控制在导杆半径范围内。偏心距定义为：
(8)
(9)
式中：x、y为微元到阀瓣中心的距离在笛卡尔坐标系的分量；x i 、y i 为微元i的中心到阀瓣中心的距离在笛卡尔坐标系的分量。
实施例五：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例关于流速分布均匀度的细化。出口流速分布越均匀，泄水阀关闭时滑动轴的阻力越小，水锤泵的性能越好。
水锤泵泄水阀出口的流速分布均匀度越高，水锤泵的水力性能越好。流速分布均匀度为：
(10)
式中：为水锤泵出口断面的平均轴向流速，m/s；u ai 为水锤泵出口断面上，各单元的轴向流速，m/s；n为水锤泵出口断面上的单元个数。
实施例六：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例中关于数值计算方法的细化。所述的数值计算方法使用的是，RNG k-ε紊流模型。
对于高应变率及流线弯曲程度较大的流动，RNG k-ε紊流模型具有较好的适用性。控制方程包括连续方程、动量方程、湍动能k方程、湍动耗散率ε方程。
连续方程：
(11)
动量方程：
(12)
k方程：
(13)
ε方程：
(14)
式中：S i 为源项；μ εff =μ +μ t ；；C μ =0.0845；α k =α ε =1.39；；C 1ε =1.42；C 2ε =1.68；；；η 0=4.337；β=0.012。
控制方程的离散采用有限体积法，压力和速度的耦合采用PISO算法求解，迭代计算采用欠松弛迭代，压力项、动量项、湍动能和湍流耗散项的系数分别为0.3、0.7、0.8和0.8。离散格式中压力项采用标准格式，动量项、湍动能和湍流耗散项均采用二阶迎风格式。通过自定义函数添加Z方向的重力源项。
实施例七：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例中关于网格划分的方法的细化。
计算区域包含水箱、动力水管、水锤泵和下池，如图4所示。由于水流加速过程中，输水阀处于关闭状态，因此，水锤泵可不考虑空气罐部分。划分网格时，上池、动力水管以及泵体的转弯段、扩散段采用六面体结构化网格划分，泵体三通段、泄水阀及下池采用四面体、楔形体非结构网格和六面体结构网格混合的形式进行划分。
实施例八：
本实施例是上述实施例的改进，是上述实施例中关于边界条件的细化。
水由水箱进入动力水管，经水锤泵后，由下池流出。水箱上侧为压力进口，下池上侧为压力出口，动力水管、水锤泵以及水箱、下池的其他边壁为固体壁面，采用标准化壁面函数进行处理。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案（比如模型的应用、各种公式的运用、步骤的先后顺序等）进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种水锤泵内部流道评价及优化方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：
初步设计的步骤：根据需求进行水锤泵初步设计，确定水锤泵的基本参数包括：作用水头、流道形式、各个尺寸要素；
建立指标体系的步骤：对水锤泵内部流道进行流体力学分析，建立相应的评价指标体系，包括：流道的水头损失系数、升力系数、阀瓣受力偏心距、出口流速分布均匀度；
建立数学模型的步骤：建立水锤泵内部流道数值计算的数学模型，包括数值计算方法、网格划分、边界条件；
数值计算的步骤：使用建立的数学模型对流道进行数值计算，获得相应的流道指标；
数据判断的步骤：对流道指标进行分析，判断流道的各项指标是否符合评价指标体系中的各项指标，如果“是”则确定设计参数，并进入样机研制的步骤，如果“否”则进入下一步骤；
优化的步骤：根据分析结果对流道参数进行优化，优化之后回到数值计算的步骤；
样机研制的步骤：根据确定的设计参数进行工程设计，并制造样机；
样机分析的步骤：对样机的各项指标进行测试，并分析各项测试参数是否符合指标体系的各项参数指标，同时判断扬水量、效率指标是否达到或超过已有产品的各项指标，如果“是”则结束过程，如果“否”回到优化的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的流道的水头损失系数的计算公式为：
<mrow>
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<mn>2</mn>
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</mfrac>
</mrow>
式中：E2为水锤泵进口断面的总水头；E1为泄水阀出口断面的总水头；公式中的下标i取1，2；为断面的速度水头；g为重力加速度；为断面的压力水头；ρ为水的密度；zi为断面的位置水头；V为动力水管水流流速，Q为流经水锤泵的水量；A为动力水管的断面面积。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的升力系数的计算公式为：
式中：Δp为水流作用于阀瓣的压强差，用公式计算，F为水流对泄水阀阀瓣的作用力，用F＝FL－FU，FL为水流对阀瓣下表面的作用力，FU为水流对阀瓣上表面的作用力，FL、FU用公式计算：
<mrow>
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<mi>F</mi>
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式中：S为泄水阀阀瓣的面域；p为阀瓣所受到的压力，pi为离散的阀瓣微元i的压力；Ai为微元i的面积；对于连续的求解域，按等式第二项积分求解；对于离散的求解域，按等式第三项求解；
AV为泄水阀阀瓣的面积，DV为阀瓣直径。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的阀瓣受力偏心距的计算公式为：
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</mrow>
</mfrac>
</mrow>
式中：x、y为微元到阀瓣中心的距离在笛卡尔坐标系的分量；xi、yi为微元i的中心到阀瓣中心的距离在笛卡尔坐标系的分量。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的出口流速分布均匀度的计算公式为：
<mrow>
<msub>
<mi>V</mi>
<mi>u</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
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<mn>1</mn>
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<mn>2</mn>
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</mrow>
</msqrt>
<mo>&rsqb;</mo>
<mo>&times;</mo>
<mn>100</mn>
<mi>%</mi>
</mrow>
式中：为水锤泵出口断面的平均轴向流速；uai为水锤泵出口断面上，各单元的轴向流速；n为水锤泵出口断面上的单元个数。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的数值计算方法为RNG k-ε紊流模型，所述的RNG k-ε紊流模型的控制方程包括：连续方程、动量方程、湍动能k方程、湍动耗散率ε方程；
所述的连续方程为：
<mrow>
<mfrac>
<mrow>
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<mi>&rho;</mi>
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所述的动量方程为：
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所述的湍动能k方程为：
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所述的湍动耗散率ε方程为：
<mrow>
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<mfrac>
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<mn>2</mn>
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<mi>k</mi>
</mfrac>
<mo>,</mo>
</mrow>
式中：Si为源项；μεff＝μ+μt；Cμ＝0.0845；αk＝αε＝1.39；C1ε＝1.42；C2ε＝1.68；η0＝4.337；β＝0.012。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的网格划分的方法是：
上池、动力水管以及泵体的转弯段、扩散段采用六面体结构化网格划分，泵体三通段、泄水阀及下池采用四面体、楔形体非结构网格和六面体结构网格混合的形式进行划分。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的边界条件设定为：
水箱上侧为压力进口，下池上侧为压力出口，动力水管、水锤泵以及水箱、下池的其他边壁为固体壁面，采用标准化壁面函数进行处理。
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