[发明专利]基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法和系统。步骤包括：数据输入；坐标变换；过水断面形成线构建；轴面速度计算；轴面流线计算；S1、S2流面构建；空间相对流线构建及分割；空间相对水流角计算；空间相对流线上各点轴面速度计算；增厚系数试算；虚拟厚度叶片排挤系数计算；欧拉能量数值求解；效率数值求解；CFD数值模拟结果验证；判断精度；增厚系数插值；将计算结果输入到Excel表格进行显示和存储；计算结束。所述系统用于实现对应功能。该数值计算方法和对应的系统提高了计算过程精简性和高效性；采用模块化设计思路，各子模块既可独立运行又相互之间紧密联系，计算流程清晰；适用于工作在非压缩流体中的反击式叶轮旋转机械，具有广泛应用对象，涉及众多行业领域。

主权项

1.一种基于虚拟厚度的反击式转轮全局特性数值计算方法和系统，其特征在于：S001、数据输入：读取反击式转轮的全局参数和木模图参数；S002、坐标变换：将笛卡尔坐标系内的空间叶片投影到Z‑r平面上，且遵循以下旋转投影公式：r_i²＝x_i²+y_i²，z_i＝z_i其中，(x_i，y_i，z_i)为点在笛卡尔坐标系内的坐标，(z_i，r_i)为对应的点在Z‑r平面内的坐标；将笛卡尔坐标系内坐标变换到S1流面坐标系内，其中m为S1流面的母线，θ为S1流面圆周方位角；流线的坐标变换并无量纲化处理遵循以下公式：式中：x₀，y₀为流线起始端点坐标分量，(m_i，θ_i)为笛卡尔坐标系内点(x_i，y_i，z_i)在S1流面坐标系内的坐标；S003、过水断面形成线构建：在反击式转轮轴面流道内作内切于上冠和下环流线的公切圆，圆心为O，切点为A和B，连接OA、OB和AB，作通过A、B并分别与OA、OB相切的圆弧即为过水断面形成线；S004、轴面速度计算：求得过水断面形成线形成过水断面时的旋转半径，然后求得对应的过水断面面积和轴面速度；针对多条过水断面形成线，求得轴面速度在轴面流道中的离散分布；所述过水断面是由过水断面形成线绕转轮转轴旋转一周形成的回转面；S005、轴面流线计算：读取一条流线对应圆弧的圆心坐标、半径、所述圆弧两端点坐标；列出弧上任意一点的非线性方程组；求得弧上该点坐标；针对多条过水断面形成线，求得一条流线上的多个离散点，顺水流方向用样条曲线依次连接所述离散点，得到所述轴面流线；S006、S1流面构建：将上一步求得的流线绕转轮旋转轴旋转一周，得到对应的S1流面；S007、S2流面构建：将木模图参数导入三维建模软件Ansys‑Gambit，建立由叶片各截面骨线形成的叶片空间骨面，所述骨面是两相邻叶片之间的一个平均流面，即S2流面；S008、空间相对流线构建及分割：所述空间相对流线为S1流面与S2流面的交线；将该空间流线等分成n份，输出等分节点及端点的直角坐标系的坐标值，共n+1个点，并将所述点的坐标转换到S1流面坐标系中；S009、空间相对水流角计算：对步骤S008中每一条空间相对流线上所述n+1个点处的相对水流角进行计算，对各点处流线切线与水平线的夹角进行组合插值，得到空间相对流线上各点处的空间相对水流角β_i；S010、空间相对流线上各点轴面速度计算：线性插值轴面流线上离散分布的轴面速度，得到空间相对流线上各等分节点的轴面速度；S011、叶片厚度计算：根据步骤S001读取的木模图参数，以其中的内切圆圆心坐标和直径数据作为插值参考点，对步骤S008中每一条空间相对流线上n+1个节点处叶片在圆周方向的厚度t_i进行高维线性插值计算；S012、叶片虚拟厚度计算：根据步骤S011，将空间相对流线每个节点处的厚度乘以合适的增厚系数ψ，得所述节点处的虚拟厚度，如下式所示：T_i＝ψ·t_i式中：ψ表示增厚系数；T_i表示叶片增厚后的虚拟厚度，单位是m；i为空间相对流线上等距离取得的节点编号，所述节点编号从靠近所述反击式转轮输入口到靠近所述反击式转轮输出口依次增大；S013、叶片排挤系数计算：叶片排挤系数的计算通过下式求得：式中，表示节点i处叶片排挤系数；N表示转轮叶片个数；S014、欧拉能量数值求解：E_Eui＝U_i·V_Ui＝r_iω·(r_iω‑W_Ui)＝r_iω·(r_iω‑k_iV_micotβ_i)式中，E_Eui表示节点i处欧拉能量，单位是m²/s²；U_i表示节点i处圆周速度，单位是m/s；V_Ui表示节点i处绝对速度圆周分量，单位是m/s；ω表示转轮旋转角速度，单位是rad/s；W_Ui表示节点i处相对速度圆周分量，单位是m/s；V_mi表示节点i处轴面速度，单位是m/s；S015、转轮效率解析求解：所述转轮效率的解析求解基于水轮机基本能量方程：式中，γ表示流体比重，单位是N/m³；H表示转轮进出口净水头，单位是m；η_r1表示转轮效率解析解；Q表示活动导叶开度α下的流量，单位是m³/s；S016、CFD数值模拟结果验证：利用软件CFX在步骤S015所述相同工况下进行数值模拟；通过数值模拟得到转轮中流体流动特性以及转轮转轴上的扭矩，根据以下方程求得转轮相应效率：Mω＝yQHη_r2式中：M表示转轮转轴扭矩，单位是N·m，η_r2表示转轮效率模拟解；S017、判断精度：对步骤S015和S016所得的转轮效率解析解和转轮效率模拟解求解相对误差，若相对误差超出判定标准值，则返回步骤S012，改变增厚系数取值，再依次执行步骤S012～S017，最终得到符合要求的转轮效率解析解与对应的增厚系数；若相对误差小于判定标准值，则执行步骤S018；所述判定标准值预先给定；S018、令转轮的活动导叶在活动范围内等间隔地取导叶开度的值，每一个导叶开度对应一个流量工况，对所述流量工况按照对应导叶开度由小到大依次编号；间隔地取所述流量工况，依次执行步骤S004～S017，得到所述流量工况下转轮效率的解析解与对应的增厚系数；S019、增厚系数插值：利用现有的导叶开度与增厚系数数据，对增厚系数ψ进行插值，求得其余导叶开度对应的流量工况下的增厚系数；S020、根据步骤S019计算所得的增厚系数，依次执行步骤S004～S016，然后计算步骤S015所得转轮效率解析解和步骤S016所得转轮效率模拟解的相对误差；S021、将计算结果输入到Excel表格进行显示和存储，计算结束。