CN109035387A - 一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法 - Google Patents

一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法 Download PDF

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胡海平
刘德有
姜胜文
曹云
常玉红
乔木
王家泽
郑凯
刘贵仁
滕跃
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Songhua River Hydropower Generation Co Ltd Jilin Baishan Power Plant
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STATE GRID XINYUAN HYDROPOWER CO Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法。首先进行三维建模和网格划分；然后利用用户自定义函数添加水体可压缩性状态方程和控制水泵水轮机机组中活动导叶关闭的函数，采用瞬态求解器对全流道中的流体进行计算；最后，利用后处理软件对计算结果进行处理。本发明在考虑水体压缩性以及活动导叶关闭规律的基础上，对整个抽水蓄能电站过流系统进行三维建模，包括进出水口、输水管道和水泵水轮机机组过流部分，利用三维全流道仿真模型准确、直观地再现了抽水蓄能电站水泵水轮机机组过渡过程中内部流场的瞬态变化，从而为抽水蓄能电站进一步研究提供可靠依据。

Description

一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三 维模拟方法
技术领域
本发明涉及抽水蓄能电站过流系统中，过渡过程三维模拟方法，即一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，属于抽水蓄能电站水力学数值模拟技术领域。
背景技术
在实际并网发电过程中，抽水蓄能电站作为重要的调峰填谷手段，会在一天之内经历几次甚至十几次的抽水-发电工况的转换，其中发电工况（水轮机工况）过渡过程中，由于流态瞬时变化，流速、压力迅速升高等原因，是一个极度危险的过程，也是评估工程安全是必须要着重分析的部分。然而，现在发展的比较完善的一套模拟方法是将水泵水轮机机组段作为主要研究对象，对其进行三维建模，而机组上下游的流道作为次要研究对象而仅对其进行一维建模或其他简单计算，再将计算结果作为机组段的边界条件。这种做法虽然可以在减少计算量的同时在一定程度上保证计算结果的可靠性，但是仅只适用于模拟水泵水轮机机组稳态工况下的各项参数，但对于水泵水轮机机组的过渡过程计算，由于流态非常复杂且变化剧烈，此时机组上下游流道的一维计算结果已不能再作为机组段三维模拟的边界条件。若仍采用简化后的结果作为边界条件，必然使计算结果产生严重失真。此外，在机组段的三维模拟中，认为水体是不可压缩的，这在稳定工况下是可行的；但是在过渡过程中，因流道流速急剧变化，水体压力剧烈波动。此时，若仍将水体作为刚性水体考虑，必将使计算所得的脉动压力远超实际值。
因此，针对抽水蓄能电站过渡过程，建立电站全流道模拟，并考虑水体压缩性，以更准确地模拟过渡过程中水体局部流场变化，研究其动态特性是十分必要的。
发明内容
发明目的是针对现有技术在模拟抽水蓄能电站过渡过程中存在的不足，基于水锤效应和动网格理论，提出了一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，从而对抽水蓄能电站全部过流部件均加以考量，并考虑水体压缩性，提高过渡过程模拟的准确性。
本发明的技术方案是：一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，具体实现步骤如下：
步骤1：构建抽水蓄能电站全流道三维数学模型。
步骤2：根据工程实例，建立全流道三维模型，并进行网格划分。
步骤3：根据工程实例，设置初始条件和边界条件。
步骤4：求解控制方程，对监测点和监测面进行速度、压力监控。
步骤5：利用后处理软件Tecplot 360实现过渡过程中全流道速度场、压力场的可视化。
作为优选，所述步骤1中，可压缩瞬变流动采用引入可压缩源项的液体模型来描述，在求解连续性方程、动量方程和能量方程的基础上耦合湍流模型，使整个求解系统封闭。
作为进一步地优选，引入表征水体密度随压力变化的水体可压状态方程，以及压力波在水中的传播速度（即水锤波速），来描述水体压缩性。引入的水体可压状态方程为：
其中，和K为分别绝对压力p*下的液体密度及体积模量，ρ0为液体绝对参考压力p0 *下的密度，Δp*=p*-p0 *为压力差。
作为进一步地优选，湍流模型采用湍流模型
作为优选，所述步骤2中，划分网格时，在活动导叶和转轮叶片部分进行细化。
作为优选，所述步骤3中，全流道壁面选定为光滑且无滑移的固体边壁。
作为优选，所述步骤4中，求解控制方程组的同时，通过UDF来自动控制活动导叶的关闭动作，实现抽水蓄能电站过渡过程。
有益效果：与现有技术相比，本发明提供的基于水锤效应和动网格理论的水泵水轮机机组全流道模拟方法，具有如下优势：
（1）通过定义水体可压缩性在CFD计算软件中引入水锤波速，更接近实际。
（2）将抽水蓄能电站全流道整体全部纳入计算范围之内，充分考虑了流道之中液体流态变化对整个模拟系统的影响。
（3）可以直观动态的再现全流道任意断面在任意计算时刻的流速场和压力场。
（4）可以进一步用来研究抽水蓄能电站过渡过程中容易产生危险的情况。
附图说明
图1是本发明基于具体实施例的三维仿真模型。
图2是本发明基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程模拟方法的流程图。
图3是本发明活动导叶网格划分图。
图4是本发明计算结果中转速与实验结果的对比图。
图5是本发明计算的尾水管流场图。
图6是本发明计算的导叶和转轮叶片部分流场图。
具体实施方式
图1中：1-上游辅助计算区域。2-进水口。3-输水管道。4-水泵水轮机机组。5-输水管道。6-出水口。7-下游辅助计算区域。
实施例：本发明通过工程实例来验证基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，所有数据均由设计文件中提供。在建模过程中，对一些不会影响流道内水力特性的构件进行简化，简化后的模拟系统见图1。系统主要组成构件为：进水口、上游输水管道、水泵水轮机机组、下游输水管道、出水口，其中水泵水轮机机组包括：蜗壳、固定导叶、活动导叶、尾水管。本实施例模拟对象为某抽水蓄能电站甩负荷实验，实验中，上游水位404.70m，下游水位290.38m，水泵水轮机机组甩100%负荷，水锤波传播速度1000m/s，活动导叶采用两段式线性关闭规律。
本实施例基于水锤效应和动网格理论的水泵水轮机机组全流道模拟方法的流程图如图2所示，具体步骤如下：
步骤1：构建抽水蓄能机组全流道三维数学模型
动量方程采用三维形式的NS方程，在惯性参考系下，i方向的动量方程为：
（1）
其中：ρ为水体密度，1000 kg/m³。t为时间，s。P为压力，pa。gi为i方向重力加速度，m/s2。μ为黏性系数，N·s/m2;Fi为外加作用力，N。
编写可压缩水体的物性UDF(User Define Functions)，水体密度和水锤波速的计算公式分别见公式（2）、（3）。
水体可压状态方程为：
其中，和K为分别绝对压力p*下的液体密度及体积模量，ρ0为液体绝对参考压力p0 *下的密度，Δp*=p*-p0 *为压力差。
根据实施例中水锤波速1000 m/s。
活动导叶关闭规律控制方程为：
其中ω为活动导叶叶片绕控制轴旋转的角速度，t为导叶关闭时间。
步骤2：根据工程实例，建立全流道三维模型，并进行网格划分。
根据工程实际，ANSYS软件DesignModeler模块创建全流道三维模型，初始状态时活动导叶完全开启，如图3所示。
将模型倒入ANSYS软件ICEM模块，定义各边界面，并划分网格。整个计算域采用结构性网格，即六面体网格，在活动导叶和转轮叶片部分进行加密。
步骤3：根据工程实例，设置初始条件和边界条件
将划分好的网格文件导入ANSYS软件FLUENT模块，根据工程实际设置：
（1）初始条件：
A.将内部计算域设置为单一液相，即计算区域全部为液态水。
B. 活动导叶完全开启。
C.设置上游辅助计算区域的水位为406.08m，下游辅助计算区域的水位为290.6m，整个系统之中的液体都受到垂直向下的重力，重力加速度g为9.806m/s2
（2）边界条件：
A. 壁面：静止、光滑且无滑移。
B. 活动导叶关闭：采用两段线性关闭规律，加载其控制函数UDF。
C. 上下游水库：恒压边界。
步骤4：求解控制方程组，对监测点和监测面进行速度、压力监控
（1）在步骤3的基础上，选择瞬态求解器。
（2）选择RNG k-e湍流模型。
（3）在蜗壳进水口、活动导叶、转轮叶片等部分按照需求设置监测点和监测面。
（4）根据需要设定时间步长进行迭代求解。
步骤5：计算结果分析。
（1）计算结束后，将机组转速的三维计算结果和实验数据进行对比，验证三维模型的准确性，见图1。可以看出，三维计算结果所绘曲线和实验结果所绘曲线重合度很高，峰值几乎重合，所以本发明提出的技术方案可以有效地模拟抽水蓄能电站水泵工况过渡过程的流速和压力变化。
（2）利用后处理软件Tecplot 360实现过渡过程中全流道速度场、压力场的可视性如图4、图5。图4为尾水管内部压力云图，图6为导叶转轮叶片部分速度场云图。由图可见三维计算结果不仅精度完全可以满足要求，而且输出数据的类型多样，输出的结果也更加直观。
上面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，其特征在于：采用三维CFD方法构建了包括进出水口、输水管道和水泵水轮机机组在内的全流道三维模型，使用用户自定义函数来考虑水体可压缩性并实现活动导叶的关闭规律，真实地模拟了抽水蓄能电站的过渡过程，具体步骤如下：
步骤1：构建抽水蓄能电站全流道三维可压缩数学模型；
步骤2：根据工程实例，建立全流道三维模型，并进行网格划分；
步骤3：根据工程实例，设置初始条件和边界条件；
步骤4：求解控制方程，对监测点和监测面进行速度、压力监控；
步骤5：利用后处理软件Tecplot 360实现过渡过程中全流道速度场、压力场的可视化；
构建抽水蓄能电站三维数学模型需求解液体连续性方程、动量方程，并耦合湍流方程使整个求解系统封闭；
步骤1的实现过程为：
编写液体可压缩性UDF
水体密度计算公式为：
其中，和K为分别绝对压力p*下的液体密度及体积模量，ρ0为液体绝对参考压力p0 *下的密度，Δp*=p*-p0 *为压力差；
水锤波速c的计算公式为：
（2）编写控制活动导叶关闭的UDF，其控制函数为：
其中ω为活动导叶叶片绕控制轴旋转的角速度，t为导叶关闭时间；
（3）湍流模型采用RNG k-e湍流模型。
2.如权利要求1所述的基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，其特征在于，步骤2中全流道三维模型为按照工程设计资料按1:1比例建立，全流道模型包括：进水口、上游输水管道、水泵水轮机机组、下游输水管道、出水口，其中水泵水轮机机组包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、尾水管；划分网格时需要将活动导叶和转轮叶片部分着重加密。
3.如权利要求1所述的基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，其特征在于，步骤3中上下游边界为水库，为了更加贴合实际，在上下游分别建立辅助计算区域；
步骤3的实现过程为：
将带有辅助计算区域并且划分好网格的三维模型导入ANSYS软件FLUENT模块，根据设计文件进行设置；
初始条件
A.设置辅助计算区域和全流道中为单一相，即全部为液态水，并加载可压缩性UDF；
B.在辅助计算区域和全流道中添加重力从而使进出水口的压力与实际情况一致；
边界条件
A.壁面：静止、光滑且无滑移；
B.活动导叶关闭：采用两段线性关闭规律，加载其控制函数UDF；
C.上下游水库：恒压边界。
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