CN108108548B - 一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法 - Google Patents

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CN108108548B CN201711350703.7A CN201711350703A CN108108548B CN 108108548 B CN108108548 B CN 108108548B CN 201711350703 A CN201711350703 A CN 201711350703A CN 108108548 B CN108108548 B CN 108108548B
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Abstract

本发明公开了一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，具体包括如下步骤：步骤1，采用一组离散形状参数对双向贯流式水轮机尾水管三部分结构的形状进行控制，确定双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量；步骤2，建立双向贯流式水轮机尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算流程，以获取水力性能参数；然后建立水力性能优化设计数学模型，根据该模型获取尾水管优化设计的目标函数和优化过程中的约束条件；步骤3，以步骤1所得的设计变量参数集合X中的几何形状参数为优化设计变量，以步骤2所得的水力性能参数为优化目标函数开展尾水管几何形状的优化设计。解决了目前传统贯流式水轮机尾水管设计方法工作效率低的问题。

Description

一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法
技术领域
本发明属于水力机械部件的优化技术领域，涉及一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法。
背景技术
双向贯流式水轮机是海洋潮汐能源开发领域中的关键设备，双向贯流式水轮机的尾水管在正向发电时起引导水流流向下游的作用，在反向发电时则起进水管的作用，因此其水力性能对双向贯流式水轮机的能量特性有至关重要的影响。目前，套用常规已有的贯流式水轮机尾水管并依据CFD数值模拟的分析结果进行改型是普遍的双向贯流式水轮机尾水管的设计方法。这种方法极度依赖设计者的设计经验，而且在尾水管的改型优化的过程中由于需要兼顾其正向和反向发电时的水力性能使得该方法耗费时间长，无法准确获得能均衡提升正向和反向发电状态下尾水管水力性能的全局最优解，所以迫切需要一种新方法来提升双向贯流式水轮机尾水管的技术水平及设计工作效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，解决了目前传统贯流式水轮机尾水管设计方法工作效率低、无法获得能兼顾正向和反向发电状态下尾水管水力性能的全局最优解的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，具体包括如下步骤：
步骤1，采用一组离散形状参数对双向贯流式水轮机尾水管三部分结构的形状进行控制，确定双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量；
步骤2，基于CFD数值分析方法建立双向贯流式水轮机尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算流程，以获取其在正、反向流动工况下水力性能参数；然后建立双向贯流式水轮机尾水管水力性能优化设计数学模型，根据该模型获取尾水管优化设计的目标函数和优化过程中的约束条件；
步骤3，以步骤1所得的设计变量参数集合X中的几何形状参数为优化设计变量，以步骤2所得的水力性能参数为优化目标函数开展尾水管几何形状的优化设计。
本发明的特点还在于，
步骤1的具体过程如下：按双向贯流式水轮机尾水管正向流动工况时的水流方向定义进、出口，所述一组离散形状参数包括：锥管段a的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X1；锥管段b的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X2；过渡段的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X3；锥管段a的出口截面的直径D1；锥管段b的出口截面的直径D2；过渡段出口截面处的圆角正方形的边长H1以及圆角半径R1，离散形状参数X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1即为双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，上述7个设计变量构成了如下公式(1)中的设计变量参数集合X：
X＝{X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1} (1)。
步骤2的具体过程为：
步骤2.1，建立尾水管网格划分流程；
步骤2.2，建立正、反向流动工况下对尾水管进行水力性能分析计算流程，获得尾水管在正、反向流动工况下的水力性能参数；
步骤2.3，根据步骤2.2所得的水力性能参数，建立尾水管水力性能优化设计的数学模型如下式(4)所示，通过该优化模型获取优化过程中的目标函数和优化过程中的约束条件：
Figure BDA0001510202280000031
步骤2.2的具体过程如下：
通过编写Pre.bat、Solver.bat和Post.bat这三个批处理文件实现尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算，并获得尾水管在正、反向流动工况下的水力性能参数；
Pre.bat批处理文件的处理过程为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYSCFX的前处理模块，加载步骤2.1中输出的尾水管网格并分别按正向和反向流动工况下尾水管进、出口对应的流动条件完成边界条件的设置以及湍流模型的选取，然后分别输出正向和反向流动工况对应的前处理定义文件，然后分别输出正向和反向流动工况对应的前处理定义文件；
Solver.bat批处理文件的处理过程为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYS CFX的求解器模块，分别加载Pre.bat批处理文件中输出的正向和反向流动工况对应的前处理定义文件，进行尾水管在正向流动工况和反向流动工况下的水力性能计算，得到正向流动工况下水流进口截面处的平均静压pis1、正向流动工况下水流出口截面处的平均静压pis2、正向流动工况下水流进口截面处的平均流速Vis1、正向流动工况下水流出口截面处的平均流速Vis2、反向流动工况下水流进口截面处的平均静压pos1、反向流动工况下水流出口截面处的平均静压pos2、反向流动工况下水流进口截面处的平均流速Vos1、反向流动工况下水流出口截面处的平均流速Vos2，其中，pis1和pis2的单位均为Pa、Vis1和Vis2的单位为m/s、Vis1和Vis2的单位为m/s、pos1和pos2的单位为Pa；
Post.bat批处理文件的处理过程为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYS CFX的后处理模块，分别加载Solver.bat批处理文件在正向和反向流动工况下的数值计算结果，并根据下式(2)、(3)计算获得正向和反向流动工况下尾水管的水力损失值，得到的水力性能损失值即为水力性能参数，然后将结果输出至文本文件中保存：
Figure BDA0001510202280000041
Figure BDA0001510202280000042
上式中，Δhi为正向流动工况下尾水管的水力损失值，单位为m，Δho为反向流动工况下尾水管的水力损失值，单位为m；Δhi和Δho即为所求的水力性能参数。
步骤3的具体过程为：根据公式(4)所示的优化设计模型在优化计算软件ISIGHT中设置目标函数为Δhi和Δho，设计变量为公式(1)所示的尾水管几何形状参数以及约束条件为L≥X3≥X2≥X1和H1≥D2≥D1≥D0，并采用优化计算软件ISIGHT开展尾水管几何形状的优化设计，在优化过程中最终得到优化后的尾水管几何形状。
本发明的有益效果如下：
(1)采用本发明所提出的优化设计方法可同时改善了正向和反向发电状态下的贯流式水轮机尾水管的水力性能；
(2)本发明所提出的优化设计方法的过程全部由计算机完成，自动化程度高，极大节约了人力成本。同时该优化设计方法不依赖于设计者的设计经验，而是采用智能优化算法对设计空间进行优化探索，易于获得具有创新性的设计方案。
附图说明
图1是本发明一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法中尾水管的结构示意图；
图2是本发明一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法中尾水管几何控制变量的示意图。
图中，1.锥管段a，2.锥管段b，3.过渡段，4.截面a，5.截面b。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
已知需要被优化的双向贯流式水轮机尾水管的原始几何形状，双向贯流式水轮机尾水管的几何形状包括三部分，分别为如图1所示的锥管段a1、锥管段b2以及过渡段3。在正向流动工况时，图2(a)中的截面a4为水流进口截面，截面b5为水流出口截面；在反向流动时，图2(a)中的截面a4为水流出口截面，截面b5为水流进口截面。图2(a)中给出尾水管整体的俯视图，图2(b)中给出截面b5的具体几何形状示意图。
本发明一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，具体包括如下步骤：
步骤1，采用一组离散形状参数对双向贯流式水轮机尾水管三部分结构的形状进行控制，确定双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，双向贯流式水轮机尾水管三部分结构包括依次连接的锥管段a1、锥管端b2及过渡段3；
具体为：按双向贯流式水轮机尾水管正向流动工况时的水流方向定义进、出口，则这组离散形状参数包括：锥管段a1的出口截面(同时也是锥管段b2的进口截面)距离转轮旋转中心线的距离X1；锥管段b2的出口截面(同时也是过渡段3的进口截面)距离转轮旋转中心线的距离X2；过渡段3的出口截面(同时也是尾水管的出口截面)距离转轮旋转中心线的距离X3；锥管段a1的出口截面(同时也是锥管段b2的进口截面)的直径D1；锥管段b2的出口截面(同时也是过渡段的进口截面)的直径D2；过渡段3出口截面处的圆角正方形的边长H1以及圆角半径R1，将上述离散形状参数X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1写入一个文本文件，采用几何造型软件UG的二次开发语言UG/Open GRIP编制尾水管的几何造型程序，实现读入离散形状参数进行几何造型并输出尾水管几何形状文件的目的，离散形状参数X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1即为双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，上述7个设计变量构成了如下公式(1)中的设计变量参数集合X：
X＝{X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1} (1)；
步骤2，基于CFD数值分析方法建立双向贯流式水轮机尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算流程，以获取其在正、反向流动工况下水力性能参数；然后建立双向贯流式水轮机尾水管水力性能优化设计数学模型，根据该模型获取尾水管优化设计的目标函数和优化过程中的约束条件。
具体为：
步骤2.1，建立尾水管网格划分流程；
结合批处理文件和网格划分软件ICEM的工具命令语言(Tool Command Language，Tcl)编写尾水管的网格划分程序，通过运行该程序实现尾水管的数值计算网格的划分和输出，即实现了尾水管网格划分流程；
步骤2.2，建立正、反向流动工况下对尾水管进行水力性能分析计算流程，获得尾水管在正、反向流动工况下的水力性能参数；
具体为：通过编写Pre.bat、Solver.bat和Post.bat这三个批处理文件实现尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算，并获得尾水管在正、反向流动工况下的水力性能参数；
其中，Pre.bat实现的功能为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYS CFX的前处理模块，加载步骤2.1中输出的尾水管网格并分别按正向和反向流动工况下尾水管进、出口对应的流动条件完成边界条件的设置以及湍流模型的选取，然后分别输出正向和反向流动工况对应的前处理定义文件，(在各种工况对应的前处理定义文件中包含了尾水管网格、边界条件的设置及湍流模型的选取；)
Solver.bat实现的功能为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYS CFX的求解器模块，分别加载Pre.bat批处理文件中输出的正向和反向流动工况对应的前处理定义文件，读入尾水管的计算网格及边界条件设置，然后采用ANSYS CFX求解程序对尾水管的内部流动参数进行计算，获得正向流动工况下水流进口截面处的平均静压pis1、正向流动工况下水流出口截面处的平均静压pis2、正向流动工况下水流进口截面处的平均流速Vis1、正向流动工况下水流出口截面处的平均流速Vis2、反向流动工况下水流进口截面处的平均静压pos1、反向流动工况下水流出口截面处的平均静压pos2、反向流动工况下水流进口截面处的平均流速Vos1、反向流动工况下水流出口截面处的平均流速Vos2，其中，pis1和pis2的单位均为Pa、Vis1和Vis2的单位为m/s、Vis1和Vis2的单位为m/s、pos1和pos2的单位为Pa；
Post.bat实现的功能为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYS CFX的后处理模块，分别加载Solver.bat批处理文件在正向和反向流动工况下的数值计算结果文件，并根据下式(2)、(3)计算获得正向和反向流动工况下尾水管的水力损失值，得到的水力性能损失值即为水力性能参数，然后将结果输出至文本文件中保存：
Figure BDA0001510202280000081
Figure BDA0001510202280000082
上式中，Δhi为正向流动工况下尾水管的水力损失值，单位为m，Δho为反向流动工况下尾水管的水力损失值，单位为m；Δhi和Δho即为所求的水力性能参数；Δhi和Δho越小，表明尾水管的水力性能越好。
步骤2.3，根据步骤2.2中的式(2)(3)计算得出正向流动工况时尾水管水力损失Δhi和反向流动工况时尾水管水力损失Δho以后，建立尾水管水力性能优化设计的数学模型如下式(4)所示，通过该优化模型设置优化过程中的目标函数和优化过程中的约束条件：
Figure BDA0001510202280000083
上式中，L为电站土建设计中所允许的尾水管出口截面与转轮旋转中心线间的最大距离，D0为贯流式转轮室的出口直径，L和D0在优化设计开始前通过查阅水电站土建设计图纸以及贯流式水轮机转轮室的结构设计图进行确定；在上式(4)所示的数学模型中，当优化只针对最优工况点开展时，Δhi和Δho分别为正向最优工况和反向最优工况下的尾水管水力损失；当优化针对正向流动和反向流动条件下各n个工况开展时，首先需要根据前述步骤2.2的Pre.bat、Solver.bat和Post.bat这三个批处理文件获得正向流动和反向流动条件下各个工况点处的尾水管水力损失值，然后分别按照下式(5)和式(6)进行Δhi和Δho的计算：
Δhi＝Gi1(Δh)i1+Gi2(Δh)i2+…+Gik(Δh)ik+…+Gin(Δh)in (5)；
Δho＝Go1(Δh)o1+Go2(Δh)o2+…+Gok(Δh)ok+…+Gon(Δh)on (6)；
在上面式(5)和式(6)中，Gik为正向流动发电时第k个工况的无量纲水力性能加权系数，(Δh)ik为正向流动发电时第k个工况下的尾水管水力损失数值，Gok为反向流动发电时第k个工况的无量纲水力性能加权系数，(Δh)ok为反向流动发电时第k个工况下的尾水管水力损失数值，k为工况编号，k＝1,2,3,…,n，(n为正整数)。
采用Fortran语言编写生成目标函数文件的程序。
当尾水管的优化只针对正、反向最优工况开展时，该程序的功能是打开步骤2.2中Post.bat输出的保存有尾水管水力性能参数Δhi和Δho的文本文件，并读入Δhi和Δho将其另存为一个目标函数文本文件。
当尾水管针对正向流动和反向流动条件下各n个工况开展时，该程序将首先打开预先给定的、保存有正、反向流动发电时各个工况的无量纲水力性能加权系数的文件，读入正、反向流动发电时各个工况的无量纲水力性能加权系数；然后，读入正、反向流动发电时各个工况下的尾水管水力损失数值(Δh)ik和(Δh)ok，并按照公式(5)和(6)计算得到多工况下的尾水管水力损失Δhi和Δho，最后将Δhi和Δho另存为一个目标函数文本文件。
程序通过读入给定数字1或者字母n实现上述两种功能的切换。当程序读入给定的数字1时，它实现的是只针对正、反向最优工况开展尾水管优化时的功能；当程序读入给定的数字n时，它实现的是针对正向流动和反向流动条件下各n个工况开展尾水管优化时的功能。
步骤3，以步骤1所得的设计变量参数集合X中的几何形状参数为优化设计变量，以步骤2所得的水力性能参数为优化目标函数开展尾水管几何形状的优化设计。
具体为，根据公式(4)所示的优化设计模型在优化计算软件中设置目标函数为Δhi和Δho，设计变量为公式(1)所示的尾水管几何形状参数以及约束条件为L≥X3≥X2≥X1和H1≥D2≥D1≥D0，并采用优化计算软件ISIGHT开展尾水管几何形状的优化设计，在优化过程中最终得到优化后的尾水管几何形状，具体过程如下：
步骤4.1、将步骤1获得的UG/Open GRIP编制的尾水管几何造型程序及存放尾水管离散形状参数的文本文件、步骤2获得的尾水管网格划分程序及Pre.bat、Solver.bat和Post.bat这三个批处理文件、步骤3获得的Fortran语言编写的生成目标函数文件的程序全部集成进入优化计算软件ISIGHT中，并根据公式(4)所示的优化设计模型在优化计算软件中设置目标函数为Δhi和Δho、设计变量为公式(1)所示的尾水管几何形状参数以及约束条件为L≥X3≥X2≥X1和H1≥D2≥D1≥D0；
步骤4.2、在完成步骤4.1的设置以后，选择采用多目标粒子群算法为优化算法开尾水管的优化求解计算，在计算完成后获得一组使尾水管水力损失系数Δhi和Δho最小的尾水管几何形状参数，这组尾水管几何形状参数就为最优尾水管几何形状参数，将这组最优几何形状参数写入到步骤1的存放尾水管离散形状参数的文本文件中，然后运行步骤1获得的UG/Open GRIP编制的尾水管几何造型程序即可获得优化后的尾水管几何形状。

Claims (2)

1.一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，其特征在于：具体包括如下步骤：
步骤1，采用一组离散形状参数对双向贯流式水轮机尾水管三部分结构的形状进行控制，确定双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，双向贯流式水轮机尾水管三部分结构包括依次连接的锥管段a(1)、锥管端b(2)及过渡段(3)；
步骤2，基于CFD数值分析方法建立双向贯流式水轮机尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算流程，以获取其在正、反向流动工况下水力性能参数；然后建立双向贯流式水轮机尾水管水力性能优化设计数学模型，根据该模型获取尾水管优化设计的目标函数和优化过程中的约束条件；
步骤3，以步骤1所得的设计变量参数集合X中的几何形状参数为优化设计变量，以步骤2所得的水力性能参数为优化目标函数开展尾水管几何形状的优化设计；
所述步骤1的具体过程如下：按双向贯流式水轮机尾水管正向流动工况时的水流方向定义进、出口，所述一组离散形状参数包括：锥管段a(1)的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X1；锥管段b(2)的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X2；过渡段(3)的出口截面距离转轮旋转中心线的距离X3；锥管段a(1)的出口截面的直径D1；锥管段b(2)的出口截面的直径D2；过渡段(3)出口截面处的圆角正方形的边长H1以及圆角半径R1，离散形状参数X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1即为双向贯流式水轮机尾水管的优化设计变量，上述7个设计变量构成了如下公式(1)中的设计变量参数集合X：
X＝{X1、X2、X3、D1、D2、H1、R1} (1)；
所述步骤2的具体过程为：
步骤2.1，建立尾水管网格划分流程；
步骤2.2，建立正、反向流动工况下对尾水管进行水力性能分析计算流程，获得尾水管在正、反向流动工况下的水力性能参数；
步骤2.3，根据步骤2.2所得的水力性能参数，建立尾水管水力性能优化设计的数学模型如下式(4)所示，通过该优化模型获取优化过程中的目标函数和优化过程中的约束条件：
Figure FDA0002922081970000021
其中，Δhi表示正向流动工况时尾水管水力损失，Δho表示反向流动工况时尾水管水力损失，L为电站土建设计中所允许的尾水管出口截面与转轮旋转中心线间的最大距离，D0为贯流式转轮室的出口直径；
所述步骤2.2的具体过程如下：
通过编写Pre.bat、Solver.bat和Post.bat这三个批处理文件实现尾水管在正、反向流动工况下的水力性能分析计算，并获得尾水管在正、反向流动工况下的水力性能参数；
Pre.bat批处理文件的处理过程为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYS CFX的前处理模块，加载步骤2.1中输出的尾水管网格并分别按正向和反向流动工况下尾水管进、出口对应的流动条件完成边界条件的设置以及湍流模型的选取，然后分别输出正向和反向流动工况对应的前处理定义文件，然后分别输出正向和反向流动工况对应的前处理定义文件；
Solver.bat批处理文件的处理过程为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYSCFX的求解器模块，分别加载Pre.bat批处理文件中输出的正向和反向流动工况对应的前处理定义文件，进行尾水管在正向流动工况和反向流动工况下的水力性能计算，得到正向流动工况下水流进口截面处的平均静压pis1、正向流动工况下水流出口截面处的平均静压pis2、正向流动工况下水流进口截面处的平均流速Vis1、正向流动工况下水流出口截面处的平均流速Vis2、反向流动工况下水流进口截面处的平均静压pos1、反向流动工况下水流出口截面处的平均静压pos2、反向流动工况下水流进口截面处的平均流速Vos1、反向流动工况下水流出口截面处的平均流速Vos2，其中，pis1和pis2的单位均为Pa、Vis1和Vis2的单位为m/s、Vis1和Vis2的单位为m/s、pos1和pos2的单位为Pa；
Post.bat批处理文件的处理过程为：在计算机后台启动流体动力学分析软件ANSYSCFX的后处理模块，分别加载Solver.bat批处理文件在正向和反向流动工况下的数值计算结果，并根据下式(2)、(3)计算获得正向和反向流动工况下尾水管的水力损失值，得到的水力性能损失值即为水力性能参数，然后将结果输出至文本文件中保存：
Figure FDA0002922081970000041
Figure FDA0002922081970000042
上式中，Δhi为正向流动工况下尾水管的水力损失值，单位为m，Δho为反向流动工况下尾水管的水力损失值，单位为m；Δhi和Δho即为所求的水力性能参数。
2.根据权利要求1所述的一种双向贯流式水轮机尾水管的优化设计方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：根据公式(4)所示的优化设计模型在优化计算软件ISIGHT中设置目标函数为Δhi和Δho，设计变量为公式(1)所示的尾水管几何形状参数以及约束条件为L≥X3≥X2≥X1和H1≥D2≥D1≥D0，并采用优化计算软件ISIGHT开展尾水管几何形状的优化设计，在优化过程中最终得到优化后的尾水管几何形状。
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