一种基于数值计算的水力机械性能分析方法

1.本发明涉及一种基于数值计算的水力机械性能分析方法，属于水力机械技术领域。


背景技术：

2.对于水力机械来说，可以通过理论求解、实验研究、cfd数值模拟获得水力机械内部流动的特性。理论求解方法能比较深刻的认识现象的本质规律，但是对流动的机理研究的还不够充分，难以考虑到工程应用中的所有相关因素对流动的影响以及各因素之间的相互影响，因此在工程应用中收到一定限制。由于水力机械自身结构的复杂性使得实验成本昂贵、周期长、工作量大，同时还受测量方法和测量仪器等外部因素的限制，实验达不到完全精确的水平。而数值模拟方法是随着计算机和计算机方法的发展而出现的一种新方法。数值模拟已经能够为工程应用的提供基本可靠的指导。如何分析水力机械的模拟结果就显得及其重要。水力机械的模拟结果经过系统的分析之后，对于快速评估水力机械的稳定性，减少空化、提高水轮机的效率有重要意义。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种基于数值计算的水力机械性能分析方法。本发明对实际工程中，提高水力机械的效率、降低空化、提高机组的稳定性具有重大意义。本发明通过以下技术方案实现。
4.一种基于数值计算的水力机械性能分析方法，其包括以下步骤：步骤1、根据实际水力机械照片建立模型，划分网格，确定边界条件，进行数值模拟得到模拟结果；步骤2、采用tecplot软件对步骤1得到的模拟结果获得最基本物理量关于速度、压力的速度云图和压力云图；步骤3、采用tecplot软件获得空泡体积分数等值线云图，对产生空化的部位进行预测，并分析在步骤2得到的速度、压力最基本物理量，得出在该部位产生空化可能的原因；采用tecplot软件获得涡结构等值线云图，对产生涡的区域进行预测，并分析在步骤2得到的速度、压力最基本物理量，得出在该部位产生涡可能的原因；采用tecplot软件获得熵产云图，对水力损失较大的区域进行预测，并分析在步骤2得到的速度、压力最基本物理量，得出在该部位水力损失较大可能的原因。
5.本发明的有益效果是：本发明通过对模拟模型的速度、压力进行取图分析，然后对速度、压力所衍生的空泡体积分数等值线图、涡结构等值线云图以及熵产进行分析，可以预测空化的部分、涡的区域以及水力损失较大的区域。本发明对实际工程中，提高水力机械的效率、降低空化、提高机组的稳定性具有重大意义。
附图说明
6.图1是本发明数值模拟得到全流道网格图；图2是本发明转轮子午截面通过商业软件tecplot得到的速度云图；图3是本发明转轮子午截面通过商业软件tecplot得到压力云图；图4是本发明空泡体积分数为95%的等值线云图；图5是本发明涡结构等值线云图；图6是本发明熵产云图。
具体实施方式
7.下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
8.实施例1该基于数值计算的水力机械性能分析方法，其包括以下步骤：步骤1、根据实际水力机械照片建立模型，划分网格，确定边界条件，进行数值模拟得到模拟结果；具体为：根据hla551-lj-43型号的混流式水轮机，设计流量为0.7m/s，设计转速为600r/min的照片建立模型；将建立模型进行网格划分，采用icem进行划分网格，具体操作如下：先把导入的模型进行划分流域，把每个流域进行设置尺寸划分网格然后关联再组合得到一个完整的全流道结构网格；确定的边界条件为：确定蜗壳进口处为速度进口边界条件，尾水管处为自由出流边界条件；根据该边界条件采用fluent进行数值模拟，得到模拟结果；模拟得到全流道网格图如图1所示；步骤2、采用tecplot软件对步骤1得到的模拟结果获得最基本物理量关于速度、压力的速度云图和压力云图；本模拟的混流式水轮机由蜗壳、导水流域、转轮、尾水管四个部分组成，本实施例由最重要的转轮的子午截面为例，通过tecplot软件得到的速度云图如图2所示，通过tecplot软件得到的压力云图如图3所示；从图2的速度云图可以看到，转轮在叶片进水边附近流域流速从7m/s突然加大变为10m/s，速度梯度变化急剧，特别是在滑移交界面处流体速度较大。说明流体经活动导叶后，湍流运动剧烈，流体受转轮动静部件干扰的影响较大。
9.从图3的压力云图可以看到，从转轮进口到出口压力从70kpa到20kpa均匀递减，在叶道内压力梯度较大，且和速度云图一样在圆周方向呈良好的对称性；步骤3、在采用tecplot软件获得空泡体积分数等值线云图，如图4所示，对产生空化的部位进行预测，并分析在步骤2得到的速度、压力最基本物理量，得出在该部位产生空化可能的原因：从图4中可以看出，当转轮流域的空泡体积分数95%时，预测在额定工况下，该转轮中心区域会出现空化现象，增大水力损失，效率降低；甚至会出现空蚀，并通过与图3对比分析在该位置处产生空化的原因，是因为该位置处于一个低压区，导致其产生空化；
采用tecplot软件获得涡结构等值线云图，如图5所示，对产生涡的区域进行预测，并分析在步骤2得到的速度、压力最基本物理量，得出在该部位产生涡可能的原因：从图5中可以看出，在转轮区域额定工况在叶道内无叶道涡产生，但会产生叶顶泄露涡，可能会改变水体本身的固有频率，诱发机体共振，产生不稳定现象；会增大水力损失，导致机体效率降低，并通过与图2、图3对比分析在该位置处产生叶顶泄露涡的原因，是因为在该位置处具有一定的速度梯度，且处于一个低压区；采用tecplot软件获得熵产云图，如图6所示，对水力损失较大的区域进行预测，并分析在步骤2得到的速度、压力最基本物理量，得出在该部位水力损失较大可能的原因：从图6中可以看出，叶片附近和转轮中心区域熵产较大，且转轮出口流域熵产最大达500（w m-3 k-1
），即在该区域水力损失会加大，导致机体效率降低，并通过与图2、图3和图5对比分析在该位置处水力损失较大的原因，是因为在该位置处具有一定的速度梯度，和产生了叶顶泄露涡导致该位置处出现较大的水力损失。
10.根据以上分析，从空泡体积分数等值线云图中预测可能产生空化的部位，从涡结构等值线云图可以预测产生涡的区域，因为涡可以影响整个机组的稳定性，从熵产云图可以预测水力损失较大的区域。在实际工程中，就可以采取相应的措施，有效的减小空化现象，降低水力损失，增加效率，减少成型涡带的产生，增强机组的稳定性，为建造优制水力机械提供模拟依据。
11.以上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，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。


技术特征：
1.一种基于数值计算的水力机械性能分析方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1、根据实际水力机械照片建立模型，划分网格，确定边界条件，进行数值模拟得到模拟结果；步骤2、采用tecplot软件对步骤1得到的模拟结果获得最基本物理量关于速度、压力的速度云图和压力云图；步骤3、采用tecplot软件获得空泡体积分数等值线云图，对产生空化的部位进行预测，并分析在步骤2得到的速度、压力最基本物理量，得出在该部位产生空化可能的原因；采用tecplot软件获得涡结构等值线云图，对产生涡的区域进行预测，并分析在步骤2得到的速度、压力最基本物理量，得出在该部位产生涡可能的原因；采用tecplot软件获得熵产云图，对水力损失较大的区域进行预测，并分析在步骤2得到的速度、压力最基本物理量，得出在该部位水力损失较大可能的原因。

技术总结
本发明涉及一种基于数值计算的水力机械性能分析方法，属于水力机械技术领域。根据实际水力机械照片建立模型，划分网格，确定边界条件，进行数值模拟得到模拟结果；采用Tecplot软件对得到的模拟结果获得最基本物理量关于速度、压力的速度云图和压力云图；获得空泡体积分数等值线云图，对产生空化的部位进行预测和分析原因；获得涡结构等值线云图，对产生涡的区域进行预测和分析原因；获得熵产云图，对水力损失较大的区域进行预测和分析原因。本发明对实际工程中，提高水力机械的效率、降低空化、提高机组的稳定性具有重大意义。提高机组的稳定性具有重大意义。提高机组的稳定性具有重大意义。


技术研发人员：郭涛 徐李辉 张晋铭 罗竹梅
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2022.04.03
技术公布日：2022/7/29