[发明专利]一种基于响应面模型的侧式进出水口扩散段体型优化方法及应用

说明书

本发明属于水利工程技术领域，尤其涉及一种基于响应面模型的侧式进出水口扩散段体型优化方法及应用，体型优化方法包括以下步骤：S1、定义优化条件；S2、样本采样；S3、CFD数值模拟计算；S4、响应面模型的构建及精度评估；S5、优化分析，在响应面模型中找到使得目标函数取得最优的点，其相应的参数变量对应的扩散段体型即最优体型。能够更高效的确定进/出水口扩散段的最优体型，且满足设计规范要求的水头损失小、拦污栅断面流速均匀且无反向流速、各孔口流量分配均匀等水力特性指标，克服了传统优化方法的建模效率低、数值模拟计算时间久周期长、且无法确定最优体型等缺陷。

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，尤其涉及一种基于响应面模型的侧式进出水口扩散段体型优化方法及应用。

背景技术

抽水蓄能电站是当前技术最成熟、经济性最优、最具大规模开发条件的电力系统绿色低碳清洁灵活调节电源，其具有运行灵活、反应快速的特点，是电力系统中承担调峰、填谷、储能、调频、调相、备用和黑启动等多种功能的特殊电源。

进/出水口是抽水蓄能电站的咽喉，其水力条件直接关系到电站的运行安全和经济效益。进/出水口的布置形式分为竖井式和侧式两种，其中，侧式进/出水口在工程中应用较多。抽水蓄能电站设计规范《NB/T 10072-2018》中指出，侧式进/出水口一般包括防涡梁段、调整段和扩散段，扩散段内设分流墩。进/出水口通过渐变段与输水隧洞连接，通过明渠段与库区连接。在对侧式进/出水口进行体型设计时，应该同时考虑抽水工况和发电工况两种工况下的水力特性要求。对于上水库进/出水口而言，抽水工况时，隧洞水流由进/出水口扩散段扩散流向库区，称为出流工况；发电工况时，库区的水流由进/出水口扩散段收缩进入隧洞内，称为进流工况。对于下水库进/出水口而言，抽水工况对应的是进流工况；发电工况对应的是出流工况。依照抽水蓄能电站设计规范《NB/T10072-2018》，对于侧式进出/水口，无论是进流还是出流，其水力特性都应该满足如下需求：水头损失小、拦污栅断面流速均匀且无反向流速、各孔口流量分配均匀。这些水力特性能否满足主要取决于进/出水口的扩散段体型，因此，确定合理的进/出水口扩散段最优体型十分重要。

侧式进/出水口体型优化的传统方法，一般通过物理模型试验或数值模拟对初设体型进行水力特性研究，针对不利的水力指标调整体型后再研究，直至获得满意的较优体型，其缺点是每次调整体型后均需重新修改物理模型或计算模型致使重复性工作量大、优化效果依赖于研究者的经验、很难得到最优体型。

发明内容

本发明的目的旨在提出一种基于响应面模型的进出水口扩散段优化的方法及应用，能够更高效的确定进/出水口扩散段的最优体型，且满足设计规范要求的水头损失小、拦污栅断面流速均匀且无反向流速、各孔口流量分配均匀等水力特性指标。

所述技术方案如下：一种基于响应面模型的侧式进出水口扩散段体型优化方法，包括以下步骤：

S1、定义优化条件

选择对进/出水口水力特性影响较大的扩散段体型参数作为参数变量，并定义目标函数；

S2、样本采样

参考初设进/出水口扩散段体型参数，对各个参数变量给定取值上、下限，根据最优拉丁超立方设计在参数变量变化范围内进行采样得到均匀分布的样本；

S3、CFD数值模拟计算

根据各个样本的扩散段体型参数对进/出水口进行建模，对模型采取结构化网格的形式进行划分，对划分好的网格文件进行前处理，对每个样本分别进行进流和出流两个工况的计算，将所有样本的计算结果记录于输出文件中；

S4、响应面模型的构建及精度评估

根据所有样本的计算结果建立参数变量与目标函数之间的函数关系，此函数关系即为响应面模型，并对响应面模型进行精度评估，满足精度要求后，构建响应面模型，即可得到响应面模型中所有扩散段体型的水力特性指标；