[发明专利]一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法

说明书

本发明提供一种预测混流式水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，涉及水力发电技术领域。该预测混流式水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，包括以下步骤：首先对混流式水轮机蜗壳进口到尾水管出口的整个全流道采用多面体混合非结构网格划分，然后对连续相采用SSTk‑ω湍流模型进行稳态N‑S方程计算，泥沙颗粒离散相在拉格朗日框架下采用稳态颗粒追踪；泥沙颗粒考虑重力及曳力的影响,颗粒反弹采用Grant模型，结合Oka模型计算壁面磨损，通过冲蚀动网格耦合方法计算泥沙冲蚀造成的壁面变形，通过该方法可更全面预测混流式水轮机的泥沙磨损水动力学特性，为长期受泥沙困扰电站的经济高效运行提供有价值的参考。

技术领域

本发明涉及水力发电技术领域，具体为一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法。

背景技术

泥沙颗粒对壁面的碰撞磨损模型是混流式水轮机磨蚀机理的体现，更是目前用来进行磨蚀预测的工具，由于固相泥沙颗粒的物理属性、运动参数以及磨损壁面材料属性的多样性，再加上研究方法的差异，导致目前颗粒对壁面的磨损模型种类繁多，目前，对混流式水轮机进行固液多相流的磨蚀数值计算有两种方法：欧拉-拉格朗日方法和欧拉-欧拉方法；

欧拉-欧拉方法中仍将离散的颗粒相视为连续的拟流体相，由于实际中颗粒相本身是离散的且颗粒几何尺度范围较宽，在颗粒尺度较大情况下将其作为连续相处理会使结果与实际情况有较大误差；

欧拉-拉格朗日方法，通过曳力模型传递相间数据，分析了流体的速度场、压力场，颗粒群的速度、受力、颗粒-颗粒和颗粒-壁面的接触作用力，当循环流与入口流汇合时，颗粒速度损失较大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，解决了目前混流式水轮机进行固液多相流时通过欧拉-欧拉方法计算磨蚀数值的过程中，遭遇到颗粒尺度较大情况下将其作为连续相处理会使结果与实际情况有较大误差的问题，同时解决了在采用欧拉-拉格朗日方法的过程中，当循环流与入口流汇合时，颗粒速度损失较大的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种预测水轮机泥沙磨损特性的冲蚀动网格耦合方法，包括以下步骤：

步骤一、首先统计出对应混流式水轮机的转速以及叶片数量，从混流式水轮机蜗壳进口到尾水管出口的整个全流道计算网格采用多面体混合非结构网格划分，并进行了网格光顺和单元面交换来提高最后数值网格的质量；

步骤二、对混流式水轮机数值模拟连续相采用SSTk-ω湍流模型进行稳态N-S方程计算，泥沙颗粒离散相在拉格朗日框架下采用稳态颗粒追踪，连续相与离散相在欧拉-拉格朗日框架下采用双向耦合方式共同求解，并得出边界条件与离散相颗粒离散相DPM模型方程；

步骤三、根据边界条件与离散相模型方程引入颗粒的曳力系数的概念；

步骤四、离散相泥沙颗粒入射类型采用与流体相同速度从蜗壳进口以面源方式注入，泥沙颗粒考虑主要重力与曳力影响，壁面处的颗粒速度回弹采用了广泛应用的Grant模型；

步骤五、根据对90度弯管磨损验证方法可靠，然后采用Oka模型测算壁面磨损；

步骤六、利用准稳态方法实现颗粒冲蚀与自动网格模型耦合计算混流式水轮机壁面磨损的演化过程，在求解过程的每一步中，流体流动和颗粒冲蚀模拟都以稳态进行，而网格位置则由动态网格模型使用物理时间步长进行更新；当冲蚀与动网格耦合计算时，求得单个面的网格变形公式，并最终确认预测结果。

优选的，所述步骤二中，流体相采用速度进口和自由出流边界条件，在壁面处采用无滑移边界条件，颗粒离散相DPM模型在拉格朗日坐标系中进行描述，控制方程为广义牛顿第二定律：