CN113158373B - 一种鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法，涉及流体机械领域，将鱼体与叶片背面的撞击与传统的叶片撞击模型相结合得到修正的叶片撞击模型；具体的，首先将叶片背面对鱼体的撞击进行量化得到鱼体与叶片背面的撞击概率Pth背，然后将传统的叶片撞击模型Pth与Pth背求和，得到修正的叶片撞击模型Pth修。本发明修正方法对传统的叶片撞击概率模型进行了修正，进而可实现对鱼类友好型轴流泵设计的指导。

Description

一种鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法
技术领域
本发明涉及水力机械设计技术领域，尤其涉及到一种鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法。
背景技术
目前，大流量、低扬程的鱼类友好型轴流泵被广泛于我国的泵站中。当鱼类通过轴流泵时会受到机械损伤、压力波动造成的损伤和流体剪切力造成的损伤，而鱼类通过轴流泵受到的伤害不仅影响着水体环境，而且也对濒危水生动物保护提出了巨大的挑战。
传统的机械损伤理论认为叶片前缘撞击是造成鱼类损伤和死亡的主要因素，然而鱼体与叶片背面的撞击也是不可忽视的造成鱼体损伤的因素，因此，如何量化鱼体与叶片背面的撞击机制显得尤为重要。
经检索，未发现与本发明所提出的一种鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法相同的文献和专利。
发明内容
本发明的目的是提供一种鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法，本方法对传统的叶片撞击概率模型进行了修正，进而可实现对鱼类友好型轴流泵设计的指导。
本发明是通过如下技术方案得以实现的：
一种鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法，将鱼体与叶片背面的撞击与传统的叶片撞击模型相结合得到修正的叶片撞击模型；具体的，首先将叶片背面对鱼体的撞击进行量化得到鱼体与叶片背面的撞击概率Pth背，然后将传统的叶片撞击模型Pth与Pth背求和，得到修正的叶片撞击模型。
进一步的，鱼类与叶片背面撞击的概率Pth背的求解方法为：将叶片沿某一半径下的截面展开，以叶片进口边前缘点为圆心建立直角坐标系，用函数拟合叶片不同截面下的背面轮廓线，求出鱼体与叶片背面撞击的临界点所对应临界横坐标值xc，根据临界横坐标值xc求得鱼体与叶片背面撞击在xc处的撞击概率P背，然后将概率P背从轮毂半径到轮缘半径进行积分得到鱼类与叶片背面撞击概率Pth背。
进一步的，建立直角坐标系，用函数y＝f(x)拟合叶片背面。
进一步的，由y＝f(x)求得鱼体与叶片背面相撞对应的临界横坐标值xc。
进一步的，求得鱼体与叶片背面在临界值xc撞击的概率：
tb为叶片通过单个叶片距需要的时间，s；u为叶轮进口圆周速度，m/s。
进一步的，将撞击概率从轮毂半径到轮缘半径积分得到Pth背：
从而得到平均撞击概率为：
xc为鱼体与叶片背面相撞对应的临界值，m；tb为叶片通过单个叶片距需要的时间，s；r1为叶片进口处的轮毂半径，m；r2为叶片进口处的轮缘半径，m。
进一步的，修正后的撞击概率为：鱼体与叶片进口边的撞击概率Pth＝(tf/tb)与鱼体与叶片背面的撞击概率Pth背之和，即：
r1为叶片进口处的轮毂半径，m；r2为叶片进口处的轮缘半径，m；tf为鱼通过叶片前缘的时间，s；tb-叶片通过单个叶片距需要的时间，s。
进一步的，求解临界横坐标值xc的方法，鱼体与叶片背面相撞临界点的特点为：鱼体和叶片背面是某一点处于同一位置；叶片背面在该位置沿着纵坐标的速度与鱼体轴面速度vm1相同；具体的，假设t＝0,鱼体在(xc，0)位置且速度为vm1，当t＝t1时，鱼体走过的距离为vm1×t1，此时横坐标xc对应的叶片背面的点的纵坐标为y1，撞击的临界值为鱼体以轴面速度移动的距离和叶片在这一时刻所对应的纵坐标值相等，即y1＝vm1×t1，又y1＝f(ut1+xc)，进而vm1t1＝f(ut1+xc)；叶片背面在该位置沿着纵坐标的速度与鱼体轴面速度vm1相同，即f′(ut1+xc)＝vm1，进而可以得到：
由上述方程可以解得xc的值；
其中，tf为鱼通过叶片前缘的时间，s；tb-叶片通过单个叶片距需要的时间，s；Lf为鱼体长度，m；vm1为叶轮入口处液流轴面速度，m/s；u为叶轮进口圆周速度，m/s；r1为叶片进口处的轮毂半径，m；r2为叶片进口处的轮缘半径，m；xc为鱼体与叶片背面相撞对应的临界值，m；P背为某一流面下鱼体与叶片背面撞击的概率；Pth背为沿着半径方向积分的撞击概率的平均值。
本发明的有益效果是：
1.通过对鱼类友好型轴流泵撞击概率进行修正。具体的，提出了一种鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法，轴流泵的鱼类友好性的评估更加精确，并且对生态友好型调水工程轴流泵的设计提供了一定的基础理论参考指导，具有重要的科学意义和社会价值。
2.通过对撞击概率模型进行修正，鱼体与叶片背面的撞击造成鱼体损伤概率及鱼体与叶片进口边的撞击概率都能清晰的表达出来，为后续泵结构的优化提供了一定的数值基础。
附图说明
图1为本发明实施例涉及到的t＝0时鱼体的位置示意图；
图2为本发明实施例涉及到的t＝t1时鱼体的位置示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明。
传统的叶片撞击模型为：
式中xb为单个叶片距，m；
xf为在单个叶片距内不被叶片撞击的区域的长度，m；
Q为流量，m3/s；A1为叶片入口过流断面面积，m2；
修正后的叶片撞击模型加入了鱼体与叶片背面的撞击，结合附图1所示，以叶片进口边前缘为原点建立直角坐标系，对叶片背面曲线进行函数拟合，叶片背面的函数为y＝f(x)。t＝0时，鱼头处于坐标(x1,0)，鱼体的速度为vm1，叶片的圆周速度为u。假设t＝t1时鱼体与叶片相撞，则vm1*t1＝f(x1+ut1)。存在一个临界点xc，使得鱼头与叶片背面刚好没有相撞，进而求得鱼头与叶片背面的撞击概率为：
将撞击概率从轮毂半径到轮缘半径积分得到：
鱼类与叶片背面的平均撞击概率为：
修正后的叶片撞击概率为：
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (2)

1.一种鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法，其特征在于，将鱼体与叶片背面的撞击模型与传统的叶片撞击模型相结合得到修正的叶片撞击模型；具体的，首先将叶片背面对鱼体的撞击进行量化得到鱼体与叶片背面的撞击概率Pth背，然后将传统的叶片撞击模型Pth与Pth背求和得到修正的叶片撞击模型Pth修；
鱼类与叶片背面撞击的概率Pth背的求解方法为：将叶片沿某一半径下的截面展开，以叶片进口边前缘点为圆心建立直角坐标系，用函数拟合叶片不同截面下的背面轮廓线，求出鱼体与叶片背面撞击的临界点所对应临界横坐标值xc，根据临界横坐标值xc求得鱼体与叶片背面撞击在xc处的撞击概率P背，然后将概率P背从轮毂半径到轮缘半径进行积分得到鱼类与叶片背面撞击概率Pth背；
建立直角坐标系，用函数y＝f(x)拟合叶片背面；由y＝f(x)求得鱼体与叶片背面相撞对应的临界横坐标值xc；求得鱼体与叶片背面在临界值xc撞击的概率：
tb为叶片通过单个叶片距需要的时间，s；u为叶轮进口圆周速度，m/s；
将撞击概率从轮毂半径到轮缘半径积分得到Pth背：
从而得到平均撞击概率为：
xc为鱼体与叶片背面相撞对应的临界值，m；tb为叶片通过单个叶片距需要的时间，s；r1为叶片进口处的轮毂半径，m；r2为叶片进口处的轮缘半径，m；修正后的撞击概率为：鱼体与叶片进口边的撞击概率Pth＝(tf/tb)与鱼体与叶片背面的撞击概率Pth背之和，即：
r1为叶片进口处的轮毂半径，m；r2为叶片进口处的轮缘半径，m；tf为鱼通过叶片前缘的时间，s；tb-叶片通过单个叶片距需要的时间，s。
2.根据权利要求1所述的鱼类友好型轴流泵与鱼类撞击概率的修正方法，其特征在于，求解临界横坐标值xc的方法，鱼体与叶片背面相撞临界点的特点为：鱼体和叶片背面在某一点处于同一位置；叶片背面在该位置沿着纵坐标的速度与鱼体轴面速度vm1相同；具体的，假设t＝0,鱼体在(xc，0)位置且速度为vm1，当t＝t1时，鱼体走过的距离为vm1×t1，此时横坐标xc对应的叶片背面的点的纵坐标为y1，撞击的临界值为鱼体以轴面速度移动的距离和叶片在这一时刻所对应的纵坐标值相等，即y1＝vm1×t1，又y1＝f(ut1+xc)，进而vm1t1＝f(ut1+xc)；叶片背面在该位置沿着纵坐标的速度与鱼体轴面速度vm1相同，即f′(ut1+xc)＝vm1，进而得到：
由上述方程解得xc的值；
其中，tf为鱼体通过叶片前缘的时间，s；tb-叶片通过单个叶片距需要的时间，s；Lf为鱼体长度，m；为叶轮入口处液流轴面速度，m/s；u为叶轮进口圆周速度，m/s；r1为叶片进口处的轮毂半径，m；r2为叶片进口处的轮缘半径，m；xc为鱼体与叶片背面相撞对应的临界值，m；P背为某一流面下鱼类与叶片背面撞击的概率；Pth背为沿着半径方向积分的撞击概率的平均值。
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