基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法

1.本发明涉及水泵工程技术领域，尤其涉及一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法。


背景技术：

2.双吸离心泵具有扬程高、流量大、轴向力自平衡和安装检修方便等优点，广泛应用于我国的农业灌溉、跨流域调水、城镇供水和能源化工等领域。
3.在双吸离心泵的水力设计阶段，cfd技术是预测水泵扬程、效率和轴功率等能量特性的重要手段。cfd技术是伴随着数值计算方法和计算机技术的发展而兴起的，用以模拟实际流体的流动特性。相比于相对精细的非定常模拟，定常模拟具有计算资源更少、计算效率更高的优势，能帮助设计者快速评判水力设计成果的优劣。
4.然而，目前采用常规数值计算方法进行定常计算时经常发现水力性能预测结果与实验结果的偏差较大，甚至出现最优工况的严重误判问题，这不利于实现对双吸离心泵水力设计成果的高效反馈，直接影响产品开发的质量与进度。针对这一问题，目前尚缺乏有效的解决方法，本领域技术人员亟需提出一种适用于双吸离心泵能量特性的高效预测方法以更好地满足双吸离心泵水力设计的工程需求。


技术实现要素：

5.(一)要解决的技术问题
6.鉴于上述技术缺陷和工程需求，本发明重点解决目前双吸离心泵能量特性的数值预测精度低的问题，旨在提供一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，为高质量双吸离心泵产品的开发提供技术保障。
7.(二)技术方案
8.本发明提供一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，包括步骤：
9.引入伪瞬变频率fc以表征双吸离心泵内准定常流动的伪瞬态效应；
10.引入吸入变压比ps以描述双吸离心泵内宏观来流的变压能力；
11.引入当地变压比p
l
以描述双吸离心泵内局部涡流的变压能力；
12.根据所述吸入变压比ps、当地变压比p
l
以及域补偿系数c
κ
来确定虚拟补偿因子κ；
13.根据所述伪瞬变频率fc和虚拟补偿因子κ来确定虚拟补偿力f
vc
以表征旋转湍流伪瞬态效应诱导的附加动量，以用于水泵内压力场的自适应调节；
14.以双吸离心泵旋转湍流数值模拟的sst k-ω模型为基础，将虚拟补偿力f
vc
以动量源的形式添加到雷诺方程中，利用有限体积法对控制方程组进行离散，采用流速进口与静压出口的边界条件，并对吸水室域和叶轮域分别设置域补偿系数c
κ-s
和c
κ-i
，最后进行定常计算来高效预测水泵的能量特性。
15.根据本发明提供的一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，
在所述步骤引入伪瞬变频率fc以表征双吸离心泵内准定常流动的伪瞬态效应中；
16.所述伪瞬变频率fc根据下式获得：
[0017][0018]
式中，χ1～χ3为伪瞬变频率特征系数，arcsec(
·
)为反正割函数，μ
tw
为水流的湍动粘度，μw为水流的动力粘度，ω为水泵内旋转湍流的比耗散率。
[0019]
根据本发明提供的一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，在所述步骤引入吸入变压比ps以分别描述双吸离心泵内宏观来流的变压能力；
[0020]
所述吸入变压比ps根据下式获得：
[0021][0022]
式中，
△
p
suc
为双吸离心泵吸水室域进出口边界的静压差，
△
p
imp
为双吸离心泵叶轮域进出口边界的静压差。
[0023]
根据本发明提供的一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，在所述步骤引入当地变压比p
l
以描述双吸离心泵内局部涡流的变压能力中；
[0024]
所述当地变压比p
l
根据下式获得：
[0025][0026]
式中，ξ0为当地变压特征系数，ρw为水流的密度，p
**
为当地压力的二阶导数。
[0027]
根据本发明提供的一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，在所述步骤根据所述吸入变压比ps、当地变压比p
l
以及域补偿系数c
κ
来确定虚拟补偿因子κ中；
[0028]
所述虚拟补偿因子κ根据下式获得：
[0029][0030]
式中，ξ1～ξ2为虚拟补偿指数，sgn(
·
)为符号函数，c
κ
为域补偿系数。
[0031]
根据本发明提供的一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，在所述步骤根据所述伪瞬变频率fc和虚拟补偿因子κ来确定虚拟补偿力f
vc
以表征旋转湍流伪瞬态效应诱导的附加动量中；
[0032]
所述虚拟补偿力f
vc
根据下式获得：
[0033][0034]
式中，为雷诺平均速度矢量，fc为伪瞬变频率，κ为虚拟补偿因子，ρw为水流的密度。
[0035]
根据本发明提供的一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，所述伪瞬变频率特征系数分别为χ1＝0.1851、χ2＝466.92和χ3＝1。
[0036]
根据本发明提供的一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，所述当地变压特征系数ξ0＝2；所述虚拟补偿指数分别为ξ1＝-0.5和ξ2＝0.4。
[0037]
根据本发明提供的一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，所述吸水室域的域补偿系数为c
κ-s
＝-0.0912，所述叶轮域的域补偿系数为c
κ-i
＝-0.0114。
[0038]
(三)有益效果
[0039]
本发明提供了一种基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性高效预测方法，其技术方案具有的突出优点是：
[0040]
(1)引入了虚拟补偿力来反映准定常流动中伪瞬态效应诱导的湍流附加动量，可实现水泵内压力分布的自适应调整；
[0041]
(2)有效避免了现有数值计算方法预测精度低甚至出现最优工况误判的问题，可快速而准确地预测水泵扬程、效率和轴功率等能量特性；
[0042]
(3)实现了对水力设计成果的高效反馈，可为高质量双吸离心泵产品的开发提供技术保障。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1是本发明提供的双吸离心泵算例的计算域结构示意图；
[0045]
图2是本发明提供的基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法的流程示意图；
[0046]
图3是本发明提供的双吸离心泵算例的能量特性预测结果对比图；
[0047]
附图标记：
[0048]
1-叶轮域；2：压水室域；3：吸水室域；4：进口边界；5：出口边界。
具体实施方式
[0049]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
下面结合图1-图3描述本发明的提供的基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法，如图1所示为双吸离心泵算例的计算域示意图，具有叶轮域1、压水室域2和吸水室域3，叶轮域1设置于压水室域2和吸水室域3之间，吸水室域3具有吸水室域进口断面，为进口边界4，压水室域2具有压水室域出口断面，为出口边界5，其基本结构参数及水力参数为：吸水室进口直径ds＝300mm，叶轮出口直径d2＝352mm，叶轮叶片数z＝6；设计流量q0＝800m3/h，额定转速n＝1490r/min，比转速ns＝125。对于此算例，本实施例提供的基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法可按以下过程实施，具体包括步骤1-步骤6：
[0051]
步骤1：引入伪瞬变频率fc以表征双吸离心泵内准定常流动的伪瞬态效应；
[0052]
步骤2：引入吸入变压比ps以描述双吸离心泵内宏观来流的变压能力；
[0053]
步骤3：引入当地变压比p
l
以描述双吸离心泵内局部涡流的变压能力；
[0054]
步骤4：根据吸入变压比ps、当地变压比p
l
以及域补偿系数c
κ
来确定虚拟补偿因子κ；
[0055]
步骤5：根据伪瞬变频率fc和虚拟补偿因子κ来确定虚拟补偿力f
vc
以表征旋转湍流伪瞬态效应诱导的附加动量，以用于水泵内压力场的自适应调节；
[0056]
步骤6：以双吸离心泵旋转湍流数值模拟的sst k-ω模型为基础，将虚拟补偿力f
vc
以动量源的形式添加到雷诺方程中，利用有限体积法对控制方程组进行离散，采用流速进口与静压出口的边界条件，并对吸水室域和叶轮域分别设置域补偿系数c
κ-s
和c
κ-i
，进行定常计算来高效预测水泵的能量特性。
[0057]
其中，在步骤1中，伪瞬变频率fc根据下式获得：
[0058][0059]
式中，χ1～χ3为伪瞬变频率特征系数，arcsec(
·
)为反正割函数，μ
tw
为水流的湍动粘度，μw为水流的动力粘度，ω为水泵内旋转湍流的比耗散率。
[0060]
在步骤2中，吸入变压比ps根据下式获得：
[0061][0062]
式中，
△
p
suc
为双吸离心泵吸水室域进出口边界的静压差，
△
p
imp
为双吸离心泵叶轮域进出口边界的静压差。
[0063]
在步骤3中，当地变压比p
l
根据下式获得：
[0064][0065]
式中，ξ0为当地变压特征系数，ρw为水流的密度，p
**
为当地压力的二阶导数。
[0066]
在步骤4中，虚拟补偿因子κ根据下式获得：
[0067][0068]
式中，ξ1～ξ2为虚拟补偿指数，sgn(
·
)为符号函数，c
κ
为域补偿系数。
[0069]
在步骤5中，虚拟补偿力f
vc
根据下式获得：
[0070][0071]
式中，为雷诺平均速度矢量，fc为伪瞬变频率，κ为虚拟补偿因子，ρw为水流的密度。
[0072]
另外，所述伪瞬变频率特征系数分别为χ1＝0.1851、χ2＝466.92和χ3＝1；变压特征系数ξ0＝2；所述的虚拟补偿指数分别为ξ1＝-0.5和ξ2＝0.4。
[0073]
吸水室域的域补偿系数为c
κ-s
＝-0.0912，叶轮域的域补偿系数为c
κ-i
＝-0.0114。
[0074]
在本发明的实施例中，采用高质量六面体网格对计算域进行空间离散，总网格数约为500万，采用全隐式耦合求解技术进行定常计算，且迭代步数设为1000步。
[0075]
为更好地显示本发明实施例的优点，同时取常规数值计算方法的预测结果进行对比，如图3所示，为本发明实施例提供的基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性高效预测结
果对比图。分析可知，相比于常规计算方法，本发明实施例提出的基于虚拟补偿力的双吸离心泵能量特性的高效预测方法对水泵扬程、轴功率和效率等能量特性的预测结果与实验值更加接近，且特别是在设计工况附近，显著降低了预测偏差，并避免了对最高效率点(即最优工况)的误判问题。
[0076]
本发明实施例的突出优点在于：引入了虚拟补偿力来反映准定常流动中伪瞬态效应诱导的湍流附加动量，可实现水泵内压力分布的自适应调整；有效避免了现有数值计算方法预测精度低甚至出现最优工况误判的问题，可快速而准确地预测水泵扬程、效率和轴功率等能量特性；实现了对水力设计成果的高效反馈，可为高质量双吸离心泵产品的开发提供技术保障。
[0077]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。