CN115640763A - 一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法 - Google Patents

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CN115640763A CN202211227592.1A CN202211227592A CN115640763A CN 115640763 A CN115640763 A CN 115640763A CN 202211227592 A CN202211227592 A CN 202211227592A CN 115640763 A CN115640763 A CN 115640763A
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王文全
王秀
闫妍
张昌兵
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Abstract

本发明涉及一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，属于水力机械及其系统技术领域。本发明包括步骤：A、确定包括水动力涡轮机在内的三维流场计算区域，即系统；B、执行湍流流场计算，获得系统的三维稳态流场分布；C、计算系统熵增率；D、计算系统动能变化率；E、计算系统在进出口处外界流体对系统所做的推动功，即流动功；F、计算水平轴水动力涡轮机轴功率。针对一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率的计算方法，本发明提出一种新的量化水平轴水动力涡轮机轴功率的计算方法，从系统能量守恒与能量粘性耗散的角度弥补量化水平轴水动力涡轮机轴功率大小的技术空白。

Description

一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法
技术领域
本发明涉及一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，属于水力机械及其系统技术领域。
背景技术
水平轴水动力涡轮机是一种将流体动能转换为机械能进而再转换为电能的一种水能利用发电装置，因其安装方便、能量转换效率高、经济成本低、环境友好等优 点，在潮流能和河流动能的开发与利用中应用广泛。由于能量转换过程中必然存在 不可逆的能量损失，而传统轴功率计算没有考虑流体系统能量损失的细节，其轴功 率计算不能准确反映水平轴水动力涡轮机的能量获取特性，导致水平轴水动力涡轮 机在偏离设计工况时实际输出功率偏差较大，导致能量特性曲线误差大，影响复杂 服役条件下的高效应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种新的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，以弥补准确量化系统能量损失与轴功率计算的技术空白。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种基于熵增理论的水平轴水动力 涡轮机轴功率计算方法，具体步骤如下：
Step1、确定包括水动力涡轮机在内的三维流场计算区域，即系统；
Step2、执行湍流流场计算，获得系统的三维稳态流场分布；
Step3、计算系统熵增率；
Step4、计算系统动能变化率；
Step5、计算进出口处外界流体对系统所做的推动功，即流动功；
Step6、计算水平轴水动力涡轮机轴功率。
具体地，Step1中，系统指由水平轴水动力涡轮机固体边界、流动进、出口边界 以及其它自由滑移壁面边界围成的空间流体区域。
具体地，Step2中，执行湍流流场计算，获得系统的流场分布信息包括平均速度 场
Figure BDA0003879183700000011
湍流有效粘性系数分布场μeff、密度场ρ和压力场P。此处，
Figure BDA0003879183700000012
和
Figure BDA0003879183700000013
分别代表三维空间笛卡尔坐标三个方向的平均速度。
Step3中，系统熵增率S采用下式(1)计算
Figure BDA0003879183700000021
式中x1,x2,x3分别表示三维空间笛卡尔坐标的三个方向。
具体地，Step4中，系统动能变化率EK采用下式(2)计算
Figure BDA0003879183700000022
式中
Figure BDA0003879183700000023
代表质量流量，V1和V2分别系统进口和出口边界的速度。
具体地，Step5中，系统流动功EP采用下式(3)计算
Figure BDA0003879183700000024
此处，p1和p2分别为系统进口和出口边界的压力。
具体地，Step6中，水平轴水动力涡轮机轴功率Ws采用下式(4)计算
Ws＝|S+EK+EP| (4)。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，可量化水平轴水动力涡轮机的水力损失与空间分布，从系统能量守恒与能量粘性耗散的 角度弥补量化水平轴水动力涡轮机轴功率大小的技术空白。
2、本发明提出一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，可精确计算水平轴水动力涡轮机的能量损失，进而根据能量守恒，计算水平轴水动力涡 轮机轴功率。
3、本发明使用的计算流程物理概念清晰，计算过程简单，计算快速，结果准确， 便于水平轴水动力涡轮机的整体优化设计。
附图说明
图1为本发明中的流程图。
图2为本发明中系统的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明。
实施例1：如图1-2所示，一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算 方法，具体步骤如下：
如图2所示，图2为水平轴水动力涡轮机示意图，包括转轮和导流罩两部分。 水平轴水动力涡轮机的进口速度为2m/s，设计转速为18rad/s，ρ＝998.2kg/m3。利 用雷诺时均模型中的剪应力输运模型，即(SST)k-ω四方程湍流模型执行湍流计算， 采用水作为流动介质，在计算时认为流体是不可压缩且保持恒温。
Step1、确定包括水动力涡轮机在内的三维流场计算区域，即系统，如图2所示；
Step2、调用湍流计算动力学模块，获得系统的三维稳态流场分布；
Step3、计算系统熵增率；
Step4、计算系统动能变化率；
Step5、计算进出口处外界流体对系统所做的推动功，即流动功；
Step6、计算水平轴水动力涡轮机轴功率。
进一步地，Step1中，系统指由水平轴水动力涡轮机固体边界、流动进、出口边 界以及其它自由滑移壁面边界围成的空间流体区域。
进一步地，Step2中，采用任意的计算流体动力学商用模块或自编程序计算，执 行湍流流场计算，获得系统的流场分布信息包括平均速度场
Figure BDA0003879183700000031
湍流有效粘 性系数分布场μeff、密度场ρ和压力场P。此处，
Figure BDA0003879183700000032
和
Figure BDA0003879183700000033
分别代表三维空间笛卡尔 坐标三个方向的平均速度。
进一步地，Step3中，系统熵增率S采用下式(1)计算
Figure BDA0003879183700000034
式中x1,x2,x3分别表示三维空间笛卡尔坐标的三个方向。
进一步地，Step4中，系统动能变化率EK采用下式(2)计算
Figure BDA0003879183700000041
式中
Figure BDA0003879183700000042
代表质量流量，V1和V2分别系统进口和出口边界的速度。
进一步地，Step5中，系统流动功EP采用下式(3)计算
Figure BDA0003879183700000043
此处，p1和p2分别为系统进口和出口边界的压力。
进一步地，Step6中，水平轴水动力涡轮机轴功率Ws采用下式(4)计算
Ws＝|S+EK+EP| (4)。
本实施例中，水平轴水动力涡轮机的系统熵增率，系统动能变化率，系统流动 功和轴功率的计算结果见表1。由表1可见，轴功率为1941.52W，其效率为47.26％， 与水平轴水动力涡轮机的试验结果吻合。
表1
Figure BDA0003879183700000044
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式或工况，对于类似的任何形状的水力机械都可以采取该种方法计算轴功 率。同时在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨 的前提下作出各种变化。

Claims (7)

1.一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，其特征在于：具体步骤如下：
Step1、确定包括水动力涡轮机在内的三维流场计算区域，即系统；
Step2、执行湍流流场计算，获得系统的三维稳态流场分布；
Step3、计算系统熵增率S；
Step4、计算系统动能变化率EK；
Step5、计算进出口处外界流体对系统所做的推动功，即流动功EP；
Step6、计算水平轴水动力涡轮机轴功率Ws。
2.根据权利要求1所述的一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，其特征在于：所述Step1中，系统指由水平轴水动力涡轮机固体边界、流动进、出口边界以及其它自由滑移壁面边界围成的空间流体区域。
3.根据权利要求1所述的一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，其特征在于：所述Step2中，执行湍流流场计算，获得系统的流场分布信息包括平均速度场
Figure FDA0003879183690000011
湍流有效粘性系数分布场μeff、密度场ρ和压力场P，此处，
Figure FDA0003879183690000012
和
Figure FDA0003879183690000013
分别代表三维空间笛卡尔坐标三个方向的平均速度。
4.根据权利要求3所述的一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，其特征在于：所述Step3中，系统熵增率S采用下式(1)计算
Figure FDA0003879183690000014
式中x1,x2,x3分别表示三维空间笛卡尔坐标的三个方向。
5.根据权利要求1所述的一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，其特征在于：所述Step4中，系统动能变化率EK采用下式(2)计算
Figure FDA0003879183690000015
式中
Figure FDA0003879183690000021
代表质量流量，V1和V2分别系统进口和出口边界的速度。
6.根据权利要求1所述的一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，其特征在于：所述Step5中，系统流动功EP采用下式(3)计算
Figure FDA0003879183690000022
此处，p1和p2分别为系统进口和出口边界的压力。
7.根据权利要求1所述的一种基于熵增理论的水平轴水动力涡轮机轴功率计算方法，其特征在于：所述Step6中，水平轴水动力涡轮机轴功率Ws采用下式(4)计算
Ws＝|S+EK+EP| (4)。
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