CN107315858B - 一种面向流网仿真应用的离心泵参数化仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种面向流网仿真应用基于泵内特性的离心泵参数化仿真方法。(1)输入仿真对象离心泵的结构尺寸设计数据；(2)计算离心泵理论扬程；(3)计算离心泵的各项水力损失；(4)将离心泵的实际扬程加入到流网求解中的动量方程动量源相中；(5)输入流网的边界参数、结构参数及计算初值；(6)对流网的热工参数进行矩阵计算，所述热工参数包括压力、焓值；(7)对流网的热工参数、离心泵的性能参数仿真结果进行输出。本发明是一种面向流网应用的、基于泵内特性的，适合在缺少试验数据的情况下对流网离心泵进行模拟的离心泵仿真方法。

Description

一种面向流网仿真应用的离心泵参数化仿真方法

技术领域

本发明涉及的是一种离心泵的仿真方法，具体地说是一种面向流网仿真应用、基于泵内特性的离心泵仿真方法。

背景技术

在核动力装置热工流体网络实时仿真建模中常用的商用软件中，在对离心泵进行仿真时，采用基于相似特性的流量——扬程拟合曲线模型，即利用已有的离心泵试验数据，选取合适的数据点，利用二次拟合方法进行建模。该方法求解简便、计算精度较高、模拟效果好，能够满足热工流体网络对于已有离心泵的实时仿真需求。

随着仿真工作面向设计、评估及论证阶段的发展，采用试验数据的拟合模型越来越不能满足仿真工作的需要。这是因为，在系统装置的设计、评估及论证阶段，往往不具有相关离心泵的试验特性数据，而是结构尺寸等设计数据。目前，该问题仍然通过建模人员利用类似设备的建模经验，补全数据点后进行拟合。然而该方法相较于实际设备，不能做到特性完全一致、仿真结果的可信性不高，无法准确地进行论证与评估工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向流网应用、基于泵内特性的，适合在缺少试验数据的情况下对流网离心泵进行模拟的面向流网仿真应用基于泵内特性的离心泵参数化仿真方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)输入仿真对象离心泵的结构尺寸设计数据；

(2)计算离心泵理论扬程；

(3)计算离心泵的各项水力损失；

(4)将离心泵的实际扬程加入到流网求解中的动量方程动量源相中；

(5)输入流网的边界参数、结构参数及计算初值；

(6)对流网的压力、焓值等热工参数进行矩阵计算；

(7)对流网的热工参数、离心泵的性能参数仿真结果进行输出。

本发明还可以包括这样一些具体特征：

1、所述仿真对象离心泵的结构尺寸设计数据具体包括：

离心泵的叶轮内径、叶轮出口直径、叶片数、叶片进口安放角、出口安放角、叶片进口与圆周方向夹角、叶片出口与圆周方向夹角、叶片厚度、叶轮出口宽度、蜗壳基圆直径、蜗壳隔舌角、叶片包角、叶轮流道绝对粗糙度、设计额定流量、设计额定扬程、设计额定转速、设计比转速和蜗壳喉部面积，数据采用国际单位制编制成数据输入模块。

2、离心泵理论扬程的计算模型包括：

a.威斯奈滑移系数修正后的离心泵理论扬程计算模型；

b.斯基克钦滑移系数修正后的离心泵理论扬程计算模型；

c.比转速选择模型。

3、所述离心泵的各项水力损失具体包括：

吸入室水力损失、叶轮进口冲击损失、叶轮流道摩擦损失、叶轮流体扩散损失、叶轮流体轴向变径向的变向损失、叶轮出口损失和蜗壳流道摩擦损失。

4、离心泵的实际扬程为所述的离心泵理论扬程与所述的离心泵的各项水力损失的差值；所述动量方程动量源相为动量方程中的独立的附加项，当没有设置离心泵时其值为0，设有离心泵时其值为离心泵的扬程导致的压升。

5、所述流网的边界参数、结构参数及计算初值采用国际单位制，利用Fortran科学语言编制成数据输入模块，具体包括：

a.边界参数：

质量边界进口流量、焓值；压力边界压力、流体焓值、流体密度、流体液位；各离心泵转速或归一化转速；各阀门开关状态及开度；

b.结构参数：

各控制体体积：高度关系、总体积、总高度、类型(管道、分离器)、水力直径、流通截面积、表面积；各流线上下标高、流通能力、设置离心泵情况、设置阀门情况(如截止阀、止回阀等阀门)、各节点与流线的连接关系、连接顺序；

c.运行初值：

各控制体初始压力、焓值、液位；各流线流量。

6、所述的对流网的热工参数进行矩阵计算具体包括：

a.质量平衡方程，用于求解控制体压力；

b.动量平衡方程，用于求解流线流量；

c.能量平衡方程，用于求解控制体焓值与温度；

d.形成一阶线性常微分方程组；

e.对一阶线性常微分方程组进行数值求解。

7、所述输出具体包括：

a.离心泵的特性参数，包括流量、扬程、转速；

b.流网的热工参数，包括各控制体压力、温度、焓值；各流线的流量。

本发明提供了一种面向流网应用的、基于泵内特性的离心泵仿真方法，通过对离心泵设计尺寸数据的输入模块、流网边界参数、结构参数和运行初值进行输入，利用比转速选择理论扬程计算模型并计算理论扬程；通过水力损失计算模块得到离心泵的实际扬程，并将其计入到流网动量平衡方程源相中；通过读取的流网输入数据建立流体网络模型，并利用流网计算模块得到相应热工参数，利用输出模块进行输出。本发明所提供的仿真方法，包括离心泵设计参数输入、理论扬程计算、水力损失计算、流网参数输入、流网矩阵计算、结果输出等若干重要步骤，所建立的仿真模型在稳态及瞬态情况下的输出数据与基于试验数据的拟合模型相比，可以满足系统仿真设计、评估及论证要求，可以利用本方法进行运行特性研究。

本发明可以对离心泵进行不同于现有方式的仿真，本发明的主要优点体现在：

(1)本发明面向流体网络应用开发，可以直接应用到流体网络中，在流体网络求解矩阵中应用，不需在流体网络计算过程中设置接口外接离心泵程序；

(2)本发明基于泵内特性建立模型，对于系统设计、评估及论证过程中缺少试验数据的情况下能够进行准确模拟，无需依据经验手动补全数据，提高了仿真结果的可信性；

(3)本发明采用半隐式解法，利用四阶龙格——库塔方法求解流网压力矩阵的一阶线性常微分方程组，求解精度高、速度适中，能够满足实时仿真的精度与速度需求。

附图说明

图1本发明的仿真方法流程框图。

图2含离心泵的流体网络仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做进一步的说明。

结合图1，本发明的实现步骤主要包括：

(1)参数输入。参数输入是利用Fortran语言将离心泵尺寸数据、流网数据编制成输入模块。具体实施方法是这样确定的：

a.将离心泵的结构尺寸数据编制成输入子程序1，在仿真计算过程中该部分保持不变；

b.将流网的边界参数编制成输入子程序2，在仿真计算过程中可进行修改，外界不改动时其保持不变；

c.将流网的结构参数编制成输入子程序3，在仿真计算过程中该部分保持不变；

d.将流网的运行初值编制成输入子程序4，在仿真计算每次迭代的过程中更新该部分。

(2)理论扬程与水力损失的计算。具体是这样实施的：

a.利用离心泵输入数据的比转速，确定其选用的理论扬程计算模型，具体为当比转数小于65时，用威斯奈模型计算，否则采用斯基克钦模型计算；

b.利用离心泵的输入数据，根据比转速及流量不同，计算各部分水力损失的损失系数；

c.计算各水力损失的损失值；

d.利用理论扬程与水力损失的差值，求得实际扬程。

(3)流网矩阵的计算。具体是这样实施的：

a.建立流网的质量平衡方程、动量平衡方程及能量平衡方程；

b.采用显示格式计算能量平衡方程；

c.构成流线流量与压差的平方根正相关的动量平衡方程模型，采用半隐式格式，将动量平衡方程线性化；

d.将线性化后的动量方程与能量平衡方程一同代入到质量平衡方程中，形成关于控制体压力的一阶线性常微分方程组；

e.采用四阶龙格——库塔格式对所得到的一阶线性常微分方程组进行压力求解。

f.利用求解得到的求解动量平衡方程。

(4)数据输出。具体实施方法是将离心泵的特性参数，包括流量、扬程、转速及流网的热工参数，包括各控制体压力、温度、焓值；各流线的流量通过输出程序按照指定格式输出到文档中或其他分析程序中。

(5)循环迭代。具体是这样实施的：

a.建模人员考虑是否调整边界值，如调整则更改输入子程序1；

b.将步骤(3)计算得到的热工参数覆盖写入输入子程序4；

c.计算时间向前推进一个步长，重复步骤(2)-(5)

上述步骤中，有关水与水蒸气的物性参数按照IAPWS-IF97公式进行计算。

在步骤(3)中，添加了离心泵作为源相的动量方程是这样计算的：

式中，F为动量，A为流动截面，Z为流动方向，f为阻力，δP/δl为动量源相梯度，F_b为边界动量交换量。

将该方程化简后，得到的流量与压差的关系是这样的：

式中，G为流线上的流量，kg/s；k_ad为流线的流通能力系数；δP为流线的动量源相，MPa。当流线上没有设备时，外加动量源相δP为0；当设置离心泵时，其动量平衡方程中的外加源相为泵的扬程引起的压升。

所得到的半隐式流量格式是这样的：

式中角标(1)表示当前时刻值，角标(0)表示上1时间步长时值。

所形成的流体网络矩阵是这样的：

式中τ为时间，s；ρ为控制体内液体密度，kg/m³；V为控制体体积，m³；P为控制体压力，MPa；D_i为流线方向标号，当流线i流入控制体时为+1；流出控制体时为-1，与控制体不相连接时为0。

结合图2对含有离心泵的流体网络建模方法进行说明。

(1)参数输入。利用Fortran语言将离心泵尺寸数据、流网数据编制成输入模块。将离心泵的结构尺寸数据编制成s.FM_datainput1，将流网的边界参数编制成s.FM_datainput2，将流网的结构参数编制成s.FM_datainput3，将流网的运行初值编制成s.FM_datainput4；

(2)理论扬程与水力损失计算。根据s.FM_datainput1程序确定仿真对象的比转速，调用 FM_pumpcal程序选择计算模型，并计算离心泵的理论扬程、水力损失与实际扬程；

(3)流网矩阵的建立与计算。根据输入数据建立流体网络模型，建立质量平衡程序FM_massb、动量平衡程序FM_momtb及能量平衡程序FM_ergyb，将动量平衡方程构成流量与压差的半隐式格式，并与能量方程一同带入到质量平衡方程中，利用四阶龙格——库塔方法计算程序FM_RKsolve计算流网的热工参数

(4)结果输出：根据需要的类型和格式，调用输出程序FM_output对计算结果进行输出；

(5)循环一次后，向前推进一个时间步长，并根据需要调整流网边界s.FM_datainput2程序，覆盖流网初值s.FM_datainput4程序，根据设定循环条件程序FM_control，完成仿真工作。

Claims (5)

1.一种面向流网仿真应用基于泵内特性的离心泵参数化仿真方法，其特征是包括如下步骤：

(1)输入仿真对象离心泵的结构尺寸设计数据；

(2)计算离心泵理论扬程；

(3)计算离心泵的各项水力损失；

(4)将离心泵的实际扬程加入到流网求解中的动量方程动量源相中；

(5)输入流网的边界参数、结构参数及计算初值；

(6)对流网的热工参数进行矩阵计算，所述热工参数包括压力、焓值；具体包括：

a.建立流网的质量平衡方程、动量平衡方程及能量平衡方程；

b.采用显示格式计算能量平衡方程；

c.构成流线流量与压差的平方根正相关的动量平衡方程模型，采用半隐式格式，将动量平衡方程线性化；

d.将线性化后的动量方程与能量平衡方程一同代入到质量平衡方程中，形成关于控制体压力的一阶线性常微分方程组；

e.采用四阶龙格——库塔格式对所得到的一阶线性常微分方程组进行压力求解；

f.利用求解得到的求解动量平衡方程；

(7)对流网的热工参数、离心泵的性能参数仿真结果进行输出。

2.根据权利要求1所述的面向流网仿真应用基于泵内特性的离心泵参数化仿真方法，其特征是：仿真对象离心泵的结构尺寸设计数据和流网的边界参数、结构参数及计算初值的输入，是利用Fortran语言将离心泵尺寸数据、流网数据编制成输入模块，具体包括：

a.将离心泵的结构尺寸数据编制成输入子程序1，在仿真计算过程保持不变；

b.将流网的边界参数编制成输入子程序2，在仿真计算过程中进行修改，外界不改动时其保持不变；

c.将流网的结构参数编制成输入子程序3，在仿真计算过程中保持不变；

d.将流网的运行初值编制成输入子程序4，在仿真计算每次迭代的过程中更新。

3.根据权利要求1或2所述的面向流网仿真应用基于泵内特性的离心泵参数化仿真方法，其特征是理论扬程及水力损失的计算方法具体包括：

a.利用离心泵输入数据的比转速，确定选用的理论扬程计算模型，具体为当比转数小于65时，用威斯奈模型计算，否则采用斯基克钦模型计算；

b.利用离心泵的输入数据，根据比转速及流量，计算各部分水力损失的损失系数；

c.计算各水力损失的损失值；

d.利用理论扬程与水力损失的差值，求得实际扬程。

4.根据权利要求1或2所述的面向流网仿真应用基于泵内特性的离心泵参数化仿真方法，其特征是添加离心泵作为源相的动量方程是这样计算的：

式中，F为动量，A为流动截面，Z为流动方向，f为阻力，δP/δl为动量源相梯度，F_b为边界动量交换量，

化简后得到的流量与压差的关系是：

式中，G为流线上的流量，kg/s；k_ad为流线的流通能力系数；δP为流线的动量源相，MPa，当流线上没有设备时，外加动量源相δP为0；当设置离心泵时，其动量平衡方程中的外加源相为泵的扬程引起的压升；

所得到的半隐式流量格式是：

式中角标(1)表示当前时刻值，角标(0)表示上1时间步长时值；

所形成的流体网络矩阵是：

式中τ为时间，s；ρ为控制体内液体密度，kg/m³；V为控制体体积，m³；P为控制体压力，MPa；D_i为流线方向标号，当流线i流入控制体时为+1；流出控制体时为-1，与控制体不相连接时为0。

5.根据权利要求3所述的面向流网仿真应用基于泵内特性的离心泵参数化仿真方法，其特征是添加离心泵作为源相的动量方程是这样计算的：

式中，F为动量，A为流动截面，Z为流动方向，f为阻力，δP/δl为动量源相梯度，F_b为边界动量交换量，

化简后得到的流量与压差的关系是：

式中，G为流线上的流量，kg/s；k_ad为流线的流通能力系数；δP为流线的动量源相，MPa，当流线上没有设备时，外加动量源相δP为0；当设置离心泵时，其动量平衡方程中的外加源相为泵的扬程引起的压升；

所得到的半隐式流量格式是：

式中角标(1)表示当前时刻值，角标(0)表示上1时间步长时值；

所形成的流体网络矩阵是：

式中τ为时间，s；ρ为控制体内液体密度，kg/m³；V为控制体体积，m³；P为控制体压力，MPa；D_i为流线方向标号，当流线i流入控制体时为+1；流出控制体时为-1，与控制体不相连接时为0。

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