[发明专利]一种基于定常数值计算的泵装置水力稳定性分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种泵站水力稳定性的分析方法，特别是对于多工况运行的泵站，属于水利工程泵站技术领域。

背景技术

泵站机组的稳定性表现在机组的水力振动与机械、电气振动两个方面，其中机械、电气振动所占的影响已经很小且预防改善措施很多，水力振动的诱因是泵装置内部流态引起的。近年来国内部分泵站相继出现了振动问题，不仅影响了正常的生产任务，有的甚至危及到泵站的安全运行，因此，泵装置水力稳定性已引起了泵装置设计部门及制造行业的普遍关注，也给行业内的专家学者提出了新的研究课题，目前，泵装置水力稳定性分析主要采用基于CFD非定常数值计算的泵装置水力脉动特性分析方法，但该方法耗费时间长，且计算结果数据文件大，对计算机的硬件设备要求高，为解决该问题，本发明提供一种基于定常数值计算的泵装置水力稳定性的分析方法，同时也为分析多工况时泵装置水力稳定性及多方案泵装置水力稳定性比较提供了一种新的思路。

发明内容

本发明专利的目的就是针对上述实际工程泵装置水力稳定性分析存在的问题，提供一种简便可靠的多工况泵装置水力稳定性的分析方法，主要解决2个方面问题：①解决了泵装置水力稳定性分析耗时，对硬件要求高的问题；②提出了一种多工况多方案泵装置水力稳定性比较的一种分析方法。

本发明的技术方案，一种基于定常数值计算的泵装置水力稳定性分析方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)对泵装置全流道进行数学建模，采用计算流体动力学方法(CFD方法)对数学模型进行三维定常数值求解，获取多工况时泵装置出水流道进口断面各点的切向速度数值和各点的坐标，切向速度记为：v_t。

(2)在获取的出水流道进口断面各点的坐标值基础上，通过下列计算式求出r_i，即第i个网格节点至出水流道进口断面中心的半径，r_i计算式如下：

式中：x_i，y_i分别为第i个网格节点的坐标；x_o，y_o为出水流道进口断面中心的坐标；

(3)在考虑进水流道、叶轮及导叶体间的动静干涉相互作用后，出水流道内的水流一方面沿轴向前进，一方面受导叶体出口剩余环量的影响引起旋转而产生进动，可采用当量力矩M予以表示，构建出水流道进口旋流的动量参数S_M来定量地表征泵装置整体运行稳定性情况，无因次动量参数S_M的表达式为：

其中：

式中：M为出水流道进口断面的当量力矩；Q为泵装置流量，m³/s；η为泵装置效率，％；D_in为出水流道进口断面直径，m；ρ为水的密度，kg/m³；r_i为第i个网格节点至出水流道进口断面中心的半径，m；i为网格节点的编号；v_ti为第i个网格节点的切向速度；N为网格节点的总数。

对泵装置全流道进行三维数值计算，给出出水流道进口断面各网格节点的切向速度和坐标数据，利用步骤(2)求出各网格节点至出水流道进口断面中心的半径，在上述求解结果基础上采用步骤(3)可求出该工况时泵装置的动量参数S_M，利用S_M的数值分析泵装置整体的水力稳定性；

为分析不同方案泵装置水力稳定性的差异性，在步骤(3)的基础上，选择任意一个方案泵装置的动量参数S_M作为基准，记为S_MS，定义△S_Mj-s为其余各方案的动量参数S_Mj(其中：j为其余各方案的编号)与该方案的动量参数S_MS的差值，以分析不同方案泵装置水力稳定性的差异性。

有益效果

本发明方法先进科学，通过本发明，基于泵装置全流道的三维定常数值计算结果获取出水流道进口断面各点的切向速度；构建了动量参数S_M的计算式；采用动量参数S_M计算式对出水流道进口断面的切向速度进行求解。

采用该方法可综合比较不同方案泵装置的水力稳定性，避免仅采用泵装置效率作为评价指标的单一性，也解决了采用三维非定常数值计算求解泵装置全流道计算耗时长和对硬件设备要求高的问题，有利于实际泵站的水力稳定性快速分析，节约泵站方案比较的时间周期，达到加快泵站工程方案选择进度的目的，也为不同方案泵装置的优选提供了一种可靠的方法。