CN111159912A - 一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法。所述方法为采用分离涡模型模拟水轮机运行过程，采用适合强旋流及剪切流动计算模型，对相变空化模型进行速度场预测和压力场分析，根据速度场预测和压力场分析结果，确定尾水管区域最低压力点的位置；比较各截面不同时间绝对压力最小点的位置，根据最小压力位置可模拟出涡带发生的具体位置；基于填充效应和均压孔方法对泄水锥的结构进行优化，降低尾水管的压力；通过改变转轮出口泄水锥的结构形式，将各截面的的最低压力点优化泄水锥附近压力分布，降低尾水管涡带的能量，随着涡带能量的减弱，由水力激振所造成的机械振动也随之减弱，继而达到提高机组运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及水轮机压力优化技术领域，是一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法。
背景技术
在水力发电重要性日益凸显的今天，提升水电站水轮机组在部分负荷运行稳定性的要求变得尤为突出。在水轮机机组运行过程中，部分负荷工况下机组通常在相应的流场中产生严重的压力脉动，进而传播作用于水轮机机组本身，引起严重的能量损失和不稳定运行隐患。由涡带产生的压力脉动是引起机组不稳定运行和振动噪声的主要来源。依据CFD数值仿真技术，借鉴多年的实践经验，通过优化尾水管压力分布来消除或减弱尾水管涡带能量，降低尾水管涡带引起的压力脉动，从而提高混流式水轮机尾水管区域稳定性指标。
针对混流式水轮机涡带引起的压力脉动，通过非定常CFD数值仿真技术研究转轮不同出口形式及所对应的压力分布对涡带形状、发生区域以及涡带引起的压力脉动幅值的影响，并应用高速摄影技术结合动态PCB传感器测量压力脉动的模型试验方法对上述理论分析结果进行验证，并采用合适的方案抑制尾水管涡带引起的压力脉动，从而提高水轮机水力稳定性。
部分负荷工况下在相应的流场中会诱发严重的压力脉动，其中尾水涡带形成的压力脉动是引起振动、噪声及出力波动的主要来源，严重地影响了机组运行稳定性。
发明内容
本发明为对泄水锥结构进行优化，本发明提供了一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法，本发明提供了以下技术方案：
一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法，包括以下步骤：
步骤1：采用分离涡模型模拟水轮机运行过程，采用适合强旋流及剪切流动计算模型，对相变空化模型进行速度场预测和压力场分析；
步骤2：根据速度场预测和压力场分析结果，确定尾水管区域最低压力点的位置；
所述步骤2具体为：根据速度场预测和压力场分析结果，比较各截面不同时间绝对压力最小点的位置，根据最小压力位置可模拟出涡带发生的具体位置；在涡带产生点附近的压力分布梯度反映了在此截面上涡带范围的大小；轴向截面上的压力分布代表涡带在流道里的长度，径向截面上的压力分布代表涡带在该截面上的粗细；
步骤3：基于填充效应和均压孔方法对泄水锥的结构进行优化，降低尾水管的压力；
通过改变转轮出口泄水锥的结构形式，将各截面的的最低压力点减小，优化泄水锥附近压力分布，降低尾水管涡带的能量，随着涡带能量的减弱，由水力激振所造成的机械振动也随之减弱，继而达到提高机组运行的稳定性；
在泄水锥壁面上开若干个均压孔，提高低压区的绝对压力，使两侧压力分布趋于更加均匀，以达到减弱尾水管涡带能量。
优选地，所述步骤1具体为：
步骤1.1：结合雷诺平均方法和大涡模拟，采用基于Spalart-Allmaras方程模型的分离涡模型DES方法，数值求解Navier-Stokes方程，模拟绕流发生分离后的旋涡运动；
步骤1.2：通过瑞流动能计算湍流速度，湍流动能通过瑞流动能输运方程的解来确定，通过下式表示连续性方程和动量方程：
连续性方程为：
动量方程为：
其中，SM是体力合力，μeff是湍流有效粘度，p′是修正压力；
步骤1.3：通过SST k-ω模型改进了涡黏性，以考虑湍流主切应力输运的影响，SSTk-ω模型得对逆压梯度流动进行预测，通过下式表示SST k-ω的湍动能k和比耗散率ω的输运方程：
其中，F1为加权函数；
对涡黏性进行限制，通过下式表示对涡黏性进行限制过程：
其中，F2是为F1的混合函数，用来修正F1在自由剪切流中的误差；
步骤1.4：对于DES湍流模型，对湍动能方程中耗散项进行修正，通过下式表示对瑞动能修正过程：
Yk＝ρβ*kωFDES
其中，Cdes为用在DES模型中的校准常数，Δ为最大局部网格距离(Δx,Δy,Δz)。
优选地，修正加权函数的自由剪切流中的误差，通过下式表示加权函数：
其中，其中，arg1和CDkω均为湍流模型参数，y为y方向坐标。
本发明具有以下有益效果：
本发明对基本填充效应和均压孔方法对模型进行泄水锥结构形式优化及数值模拟，研究发现当改变最低压力点的大小、位置和其周围压力分布，能够有效地改变涡带形状、发生区域以及涡带引起的压力脉动幅值的影响。本发明为提高机组运行稳定性提供强有力的理论依据和数据支撑，解决机组由于尾水管涡带引起的机组振动和噪声等
附图说明
图1是一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法流程图；
图2是尾水管各截面示意图；
图3是尾水管轴面压力分布示意图；
图4是相同工况锥管+Y时域对比图；
图5是相同工况锥管+Y频域对比图；
图6是相同工况锥管-Y时域对比图；
图7是相同工况锥管-Y频域对比图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。
具体实施例一：
如图1所示，本发明提供一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法，包括以下步骤：
步骤1：采用分离涡模型模拟水轮机运行过程，采用适合强旋流及剪切流动计算模型，对相变空化模型进行速度场预测和压力场分析；
所述步骤1具体为：
步骤1.1：结合雷诺平均方法和大涡模拟，采用基于Spalart-Allmaras方程模型的分离涡模型DES方法，数值求解Navier-Stokes方程，模拟绕流发生分离后的旋涡运动；
步骤1.2：通过瑞流动能计算湍流速度，湍流动能通过瑞流动能输运方程的解来确定，通过下式表示连续性方程和动量方程：
连续性方程为：
动量方程为：
其中，SM是体力合力，μeff是湍流有效粘度，p′是修正压力；
步骤1.3：通过SST k-ω模型改进了涡黏性，以考虑湍流主切应力输运的影响，SSTk-ω模型得对逆压梯度流动进行预测，通过下式表示SST k-ω的湍动能k和比耗散率ω的输运方程：
其中，F1为加权函数；
对涡黏性进行限制，通过下式表示对涡黏性进行限制过程：
其中，F2是为F1的混合函数，用来修正F1在自由剪切流中的误差；
步骤1.4：对于DES湍流模型，对湍动能方程中耗散项进行修正，通过下式表示对瑞动能修正过程：
Yk＝ρβ*kωFDES
其中，Cdes为用在DES模型中的校准常数，Δ为最大局部网格距离(Δx,Δy,Δz)。
优选地，修正加权函数的自由剪切流中的误差，通过下式表示加权函数：
其中，其中，arg1和CDkω均为湍流模型参数，y为y方向坐标。
步骤2：根据速度场预测和压力场分析结果，确定尾水管区域最低压力点的位置；
所述步骤2具体为：根据速度场预测和压力场分析结果，比较各截面不同时间绝对压力最小点的位置，根据最小压力位置可模拟出涡带发生的具体位置；在涡带产生点附近的压力分布梯度反映了在此截面上涡带范围的大小；轴向截面上的压力分布代表涡带在流道里的长度，径向截面上的压力分布代表涡带在该截面上的粗细；
步骤3：基于填充效应和均压孔方法对泄水锥的结构进行优化，降低尾水管的压力；
根据图2至图3所示，通过改变转轮出口泄水锥的结构形式，将各截面的的最低压力点“挤走”减小，优化泄水锥附近压力分布，降低尾水管涡带的能量，随着涡带能量的减弱，由水力激振所造成的机械振动也随之减弱，继而达到提高机组运行的稳定性；
在泄水锥壁面上开若干个均压孔，提高低压区的绝对压力，使两侧压力分布趋于更加均匀，以达到减弱尾水管涡带能量。
根据图4至图7所示，为了取得最好的试验结果，对填充效应泄水锥开始进行尺寸优化，对比优化后前泄水锥和优化后的泄水锥压力脉动幅值
根据表1和表2所示，从上述同一工况两个测点的压力脉动特征可以看出：在泄水锥表面的最低压力区采用填充效应技术后，涡带轴向运动的现象减弱，泄水锥附近压力分布得到优化，尾水涡带的形态也随之发生变化。填充效应有效地减弱了尾水管涡带的能量，降低了尾水管涡带的压力脉动。该试验结果、高速摄影捕捉的图像和仿真计算结果三者之间相互验证并达到有效地统一。
表1：锥管+Y测点压力脉动特征比较表
表2：锥管-Y测点的压力脉动特征比较
综上所述，针对水轮机内复杂湍流流动，使用流体力学CFD数值模拟计算和试验测试相结合，实现了对尾水管压力分布精确预测：通过CFD理论分析、模型试验、高清摄影观测技术相结合的手段，探索和发现流道内涡带真实流动状态，通过在泄水锥上采取压力平衡技术，改善内部压力分布梯度和均匀性，减弱尾水管涡带能量；压力平衡技术对部分负荷涡带、常规涡带及高部分负荷涡带有比较明显的改善作用，消除或减弱了尾水管涡带的能量，降低了尾水管压力脉动。
以上所述仅是一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法的优选实施方式，一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法，其特征是：包括以下步骤：
步骤1：采用分离涡模型模拟水轮机运行过程，采用适合强旋流及剪切流动计算模型，对相变空化模型进行速度场预测和压力场分析；
步骤2：根据速度场预测和压力场分析结果，确定尾水管区域最低压力点的位置；
所述步骤2具体为：根据速度场预测和压力场分析结果，比较各截面不同时间绝对压力最小点的位置，根据最小压力位置可模拟出涡带发生的具体位置；在涡带产生点附近的压力分布梯度反映了在此截面上涡带范围的大小；轴向截面上的压力分布代表涡带在流道里的长度，径向截面上的压力分布代表涡带在该截面上的粗细；
步骤3：基于填充效应和均压孔方法对泄水锥的结构进行优化，降低尾水管的压力；
通过改变转轮出口泄水锥的结构形式，将各截面的的最低压力点减小，优化泄水锥附近压力分布，降低尾水管涡带的能量，随着涡带能量的减弱，由水力激振所造成的机械振动也随之减弱，继而达到提高机组运行的稳定性；
在泄水锥壁面上开若干个均压孔，提高低压区的绝对压力，使两侧压力分布趋于更加均匀，以达到减弱尾水管涡带能量。
2.根据权利要求1所述的一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法，其特征是：所述步骤1具体为：
步骤1.1：结合雷诺平均方法和大涡模拟，采用基于Spalart-Allmaras方程模型的分离涡模型DES方法，数值求解Navier-Stokes方程，模拟绕流发生分离后的旋涡运动；
步骤1.2：通过瑞流动能计算湍流速度，湍流动能通过瑞流动能输运方程的解来确定，通过下式表示连续性方程和动量方程：
连续性方程为：
动量方程为：
其中，SM是体力合力，μeff是湍流有效粘度，p′是修正压力；
步骤1.3：通过SST k-ω模型改进了涡黏性，以考虑湍流主切应力输运的影响，SST k-ω模型得对逆压梯度流动进行预测，通过下式表示SST k-ω的湍动能k和比耗散率ω的输运方程：
其中，F1为加权函数；
对涡黏性进行限制，通过下式表示对涡黏性进行限制过程：
其中，F2是为F1的混合函数，用来修正F1在自由剪切流中的误差；
步骤1.4：对于DES湍流模型，对湍动能方程中耗散项进行修正，通过下式表示对瑞动能修正过程：
Yk＝ρβ*kωFDES
其中，Cdes为用在DES模型中的校准常数，Δ为最大局部网格距离(Δx,Δy,Δz)。
3.根据权利要求1所述的一种基于填充效应和均压孔方法对泄水锥结构的优化方法，其特征是：修正加权函数的自由剪切流中的误差，通过下式表示加权函数：
其中，arg1和CDkω均为湍流模型参数，y为y方向坐标。
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