水泵水轮机水泵工况流动失稳定量识别方法

本发明属于抽水蓄能的水泵水轮机，具体涉及水泵水轮机水泵工况流动失稳定量识别方法。

背景技术：

1、抽水蓄能是支撑新型电力系统安全稳定运行的关键调节资源。作为抽水蓄能机组的核心能量转换部件，水泵水轮机需在宽工况范围内灵活运行，在工况转换过程中，机组不可避免地会经过水泵工况下的高水头、小流量运行区间，该区域易诱发强烈的流动不稳定性，表现为旋转失速、叶片回流及大范围流动分离等典型失稳现象，进而产生剧烈压力脉动与叶片疲劳损伤，严重制约机组安全稳定运行。

2、目前，针对水泵水轮机水泵工况流动失稳的识别主要依赖外特性曲线的走势判断、压力脉动时频分析或速度场云图的定性观测。然而，上述现有技术存在以下缺陷：（1）缺乏统一的无量纲量化指标，无法定量区分稳定流、局部初始失稳与全局完全失稳状态；（2）难以横向对比不同工况的失稳严重程度。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供水泵水轮机水泵工况流动失稳定量识别方法，解决了现有技术依赖外特性曲线、压力脉动时频分析和速度场云图等定性观测手段，缺乏统一的无量纲量化指标，无法定量区分稳定流、局部初始失稳与全局完全失稳状态，且难以横向对比不同工况失稳严重程度的问题。

2、本发明所采用的技术方案是，水泵水轮机水泵工况流动失稳定量识别方法，具体为：获取水泵水轮机水泵工况不同流量下的三维非定常流场数据，并提取势转子焓矢量与旋转坐标系科氏力矢量，基于势转子焓梯度矢量模长与科氏力矢量模长构建无量纲稳定指数si，在转轮流道的多层叶高截面和多个流向位置处，提取时序流场数据，计算无量纲稳定指数si的时间序列；根据si时间序列的数值大小和时序周期性，划分流场稳定等级，进行流动失稳程度的识别。

3、本发明的特点还在于：

4、具体按照以下步骤实施：

5、步骤1、获取水泵水轮机水泵工况的三维非定常流场数据；

6、步骤2、根据流场数据，计算势转子焓矢量与旋转坐标系下的科氏力矢量；

7、步骤3、对势转子焓矢量求梯度得到势转子焓梯度矢量，并构建无量纲稳定指数si；

8、步骤4、在转轮流道的多层叶高截面上，沿转轮进口至出口流向布置多个监测点，提取各监测点的时序流场数据，计算各监测点的si的时间序列；

9、步骤5、根据各监测点的si的数值大小以及si时间序列的周期性是否完整，判定各监测点的流动失稳状态，完成水泵水轮机水泵工况流动失稳定量识别。

10、步骤1中，三维非定常流场数据通过数值计算或实验测量获取；通过数值计算获取时，建立水泵水轮机全流道三维模型，进行结构化或非结构化网格划分，完成网格无关性验证，采用计算流体力学软件以稳态计算结果为初场基础，选取水泵水轮机水泵工况下多流量目标工况开展非定常瞬态计算，输出各时间步的流场数据；流场数据包括流场静压

p、流体密度

ρ、流场速度、流场微元的径向半径

r及转轮旋转角速度

ω；水泵水轮机全流道包括尾水管、转轮、活动导叶、固定导叶和蜗壳。

11、步骤2中，势转子焓矢量的表达式为：

12、；

13、其中，

ip为势转子焓矢量；

p为流场静压，

ρ为流体密度，

ω为转轮旋转角速度，

r为流场微元的径向半径；

14、步骤2中，科氏力矢量的表达式为：

15、；

16、其中，

fc为科氏力矢量；为流场速度。

17、步骤3具体为：

18、步骤3.1、对势转子焓矢量求梯度得到势转子焓梯度矢量；

19、步骤3.2、求势转子焓梯度矢量模和科氏力矢量模；

20、步骤3.3、以势转子焓梯度矢量模与势转子焓梯度矢量模的比值构建无量纲稳定指数si；无量纲稳定指数si的达式为：

21、；

22、其中，为势转子焓梯度矢量模，为科氏力矢量模。

23、步骤3.1具体为：利用计算流体力学软件后处理器中的梯度计算功能，结合流场径向坐标和转轮角速度求解势转子焓矢量

ip，再对势转子焓矢量

ip求梯度，得到三个分量、、共同构成势转子焓梯度矢量场，进而求得势转子焓梯度矢量模；

24、步骤3.2具体为：基于相对速度场和转轮角速度计算科氏力矢量

fc，进而求得科氏力矢量模；

25、步骤3.3中，势转子焓梯度矢量模的量纲和科氏力矢量模的量纲均为lt-2；si为无量纲参数，si不受机组尺寸和工况参数限制，通过si数值大小实现不同流量工况、不同水泵水轮机之间流动失稳严重程度的横向对比；势转子焓梯度矢量为驱动流体脱离叶片型线、产生二次流与流动分离的主动作用力，科氏力

fc为旋转坐标系下影响相对运动轨迹、抵抗流动偏离主流方向、维持流态相对稳定的约束力。

26、设定si=1为流动稳定临界阈值，当si<1时，表征科氏约束力占优，流体沿叶片型线平稳运动；当si>1时，表征势转子焓梯度占优，流动易脱离叶片型线，造成流动失稳现象；si数值大小直接表征流动失稳的严重程度，si数值越大，流场失稳风险越高。

27、步骤4中，多层叶高截面包括span为0.1的截面、span为0.5的中间叶高截面和span为0.9的截面，span为0.5的中间叶高截面为失稳预警的主要观察对象，不受轮毂、轮缘边界层流动干扰，流动状态代表转轮主流区特征；每个叶高截面上沿转轮进口至出口流向均匀布置不少于14个监测点，三层叶高截面共布置不少于42个监测点；提取连续不少于3个转轮完整旋转周期内各监测点的静压、速度、径向坐标和角速度时序流场数据，逐测点计算瞬时si值，得到各监测点的si时间序列。

28、步骤5中，判定各监测点的流动失稳状态的具体准则为：当监测点si<1且si时间序列呈现完整周期性波动时，判定该监测点处流场稳定，流道无明显流动分离；当仅转轮出口区域的监测点si>1时，判定流场处于临界失稳状态，临界失稳状态为流动失稳的初生预警信号；当监测点si>1且si时间序列的周期性完全消失时，判定该监测点处发生深度失稳，全域流动分离、旋转失速持续存在。

29、当判定流场处于临界失稳状态或深度失稳状态时，根据各监测点si时间序列中si>1出现的时刻先后顺序，将出现时刻最早的监测点所在位置标记为流动失稳的起始位置；按si>1出现时刻的先后顺序，将各监测点位置依次连接，形成失稳区域随时间发展的空间迁移轨迹，该轨迹的方向即为流动失稳的传播方向；当si>1首先出现在转轮出口附近时，判定流动失稳起始于转轮出口区域，随着流量降低，si>1的监测点沿流向自转轮出口向转轮进口扩展，整个流道内产生不同程度的流动失稳。

30、本发明的有益效果是：

31、本发明提供的水泵水轮机水泵工况流动失稳定量识别方法，从旋转坐标系相对运动动量方程的本质出发，量化了诱发流动失稳的势转子焓梯度驱动力与维持流动平顺的科氏约束力相互制衡的内在机理，因此能够在水泵工况流动失稳初生阶段，捕捉到回流与分离结构的早期征兆。无量纲稳定指数si的数值大小直接表征流动失稳的严重程度，其时序演化与空间分布能够识别流动失稳由的传播路径，实现对失稳全过程的定量动态诊断。si高值区域能够以多流向测点的位置精准锁定流动失稳的初始发生位置。本方法适用于水泵水轮机等各类旋转机械不稳定流动现象的定量诊断，且最终输出为统一无量纲标量参数，可与现有的cfd数值仿真及水力试验数据后处理流程中完成si数值的定量分析。