一種獲取水泵Suter曲線的三維內(nèi)特性法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種獲取水泵Suter曲線的三維內(nèi)特性法，其包括以下步驟：1)建立水泵的水力模型，對水泵水力模型內(nèi)的水體域進(jìn)行三維建模；2)進(jìn)行三維模型的網(wǎng)格劃分；3)依據(jù)水泵四象限特性曲線，自坐標(biāo)原點向外作多條射線將四象限區(qū)域等分，在每一射線上選擇一個水泵計算工況點，確定水泵的相對轉(zhuǎn)速，并根據(jù)水泵相似公式分別計算多個水泵計算工況點和一水泵額定工況點的相對流量以確定邊界條件，選擇三維模型的計算方法和湍流模型，接著計算水泵額定工況點和每個水泵計算工況點的三維流場，得到各水泵工況點的水泵相對揚程和相對轉(zhuǎn)矩；4)根據(jù)泵的相似理論，將各水泵工況點的水泵相對轉(zhuǎn)速、相對流量、相對揚程和相對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成用于泵站水錘分析的Suter曲線。本發(fā)明能夠適時、準(zhǔn)確地獲取水泵Suter曲線。
【專利說明】
一種獲取水泵Suter曲線的三維內(nèi)特性法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種獲取水栗Suter曲線的三維內(nèi)特性法，屬于水利工程栗站技術(shù)領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 輸水栗站廣泛應(yīng)用于跨流域調(diào)水、農(nóng)業(yè)灌溉、城市供水等領(lǐng)域。如果要保證輸水栗 站不發(fā)生有害水錘，則需要在栗站設(shè)計階段進(jìn)行較為準(zhǔn)確的水錘計算與分析。其中，水栗的 Suter曲線對栗站水錘的計算精度起著至關(guān)重要的作用。一般來講，水栗Suter曲線需要通 過水栗模型試驗得到。對于初設(shè)階段的栗站，或者建站較早而需要改造的栗站，往往無法獲 得水栗水力模型，也就無法得到用于水錘分析的水栗Suter曲線?，F(xiàn)有估算水栗Suter曲線 的方法，是根據(jù)已有的幾個典型比轉(zhuǎn)速的單級單吸栗Suter曲線，通過插值計算近似得到所 需水栗Suter曲線。由于這種方法所獲得的Suter曲線和實際相差很大，因此常會影響到栗 站水錘的計算精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種獲取水栗Suter曲線的三維內(nèi)特性法，能 夠?qū)崿F(xiàn)輸水栗站水錘的精確計算與分析，以檢測栗站的設(shè)計和運行調(diào)度是否合理。
[0004] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種獲取水栗Suter曲線的三維內(nèi)特 性法，其包括以下步驟：1)建立水栗的水力模型，對水栗水力模型內(nèi)的水體域進(jìn)行三維建 模;2)進(jìn)行三維模型的網(wǎng)格劃分;3)依據(jù)水栗四象限特性曲線，自坐標(biāo)原點向外作多條射線 將四象限區(qū)域等分，在每一射線上選擇一個水栗的計算工況點，并確定水栗的相對轉(zhuǎn)速，接 著計算水栗的額定工況點和每一計算工況點的相對流量，并以該相對流量確定邊界條件， 選擇三維模型的計算方法和湍流模型，獲取水栗的額定工況點和每一計算工況點的三維流 場，記錄水栗各工況點的水栗相對揚程和相對轉(zhuǎn)矩;4)根據(jù)栗的相似理論，將水栗各工況點 的水栗相對轉(zhuǎn)速、相對流量、相對揚程和相對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成用于栗站水錘分析的Suter曲線。
[0005] 在所述步驟3)中，計算水栗各工況點的相對流量所依據(jù)的水栗相似公式：
[0007] 其中，α為水栗的相對轉(zhuǎn)速，u為水栗的相對流量，X為各條射線對應(yīng)的弧度，其取值 范圍為
[0008] 所述步驟4)中，表征Suter曲線中水栗揚程特性的值所依據(jù)的計算公式：
[0010]其中，Wh(x)為表征水栗揚程特性的值，h為水栗的相對揚程；
[0011 ]表征Suter曲線中水栗轉(zhuǎn)矩特性的值所依據(jù)的計算公式：
[0013] 其中，Wb(x)為表征水栗轉(zhuǎn)矩特性的值，β為水栗的相對轉(zhuǎn)矩。
[0014] 在所述步驟1)中，水栗水力模型的栗為離心栗、軸流栗或混流栗。
[0015] 在所述步驟3)中，位于每一象限內(nèi)的射線個數(shù)均為Ν條，Ν大于等于6且小于等于 11〇
[0016] 在所述步驟3)中，水栗的相對轉(zhuǎn)速等于1或負(fù)1。
[0017] 在所述步驟3)中，獲取水栗各工況點的三維流場采用的計算方法為有限體積法。
[0018] 在所述步驟3)中，獲取水栗各工況點的三維流場采用的湍流模型為k-ε湍流模型。
[0019] 本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點：1、本發(fā)明設(shè)置了水栗的水力模 型，對水栗水力模型內(nèi)的水體域進(jìn)行三維建模，能夠在無法或無需進(jìn)行水栗裝置模型試驗 的情況下，準(zhǔn)確地確定水體域。2、本發(fā)明依據(jù)水栗四象限特性曲線，自坐標(biāo)原點向外作多條 射線將四象限區(qū)域等分，在每一射線上選擇一個水栗的計算工況點，并確定水栗相對轉(zhuǎn)速 等于1或負(fù)1，且能夠快速地確定水栗額定工況點和每一計算工況點的相對流量。3、本發(fā)明 根據(jù)栗的相似理論，將每一水栗工況點的水栗相對轉(zhuǎn)速、相對流量、相對揚程和相對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn) 換成用于栗站水錘分析的Suter曲線，所獲得的Suter曲線準(zhǔn)確性高，提高了栗站水錘的計 算精度，能夠檢測輸水栗站的運行調(diào)度。
【附圖說明】
[0020] 圖1是本發(fā)明水栗水力模型吸水室和葉輪的結(jié)構(gòu)示意圖
[0021] 圖2是本發(fā)明水栗水力模型壓水室的結(jié)構(gòu)示意圖
[0022] 圖3是本發(fā)明兩級雙吸離心栗的結(jié)構(gòu)示意圖 [0023]圖4是本發(fā)明兩級雙吸離心栗的Suter曲線圖
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0025]本發(fā)明提出的獲取水栗Suter曲線的三維內(nèi)特性法，其包括以下步驟：
[0026] 1)建立水栗的水力模型，并對水栗水力模型內(nèi)的水體域進(jìn)行三維建模。
[0027] 如圖1、圖2所示，選擇相近葉輪比轉(zhuǎn)速ns的同類型水栗，基于同類型水栗的幾何尺 寸建立水栗水力模型，水栗水力模型包括吸水室1、葉輪2和壓水室3。
[0028] 2)進(jìn)行三維模型的網(wǎng)格劃分。
[0029] 3)依據(jù)水栗四象限特性曲線，自坐標(biāo)原點向外作多條射線將四象限區(qū)域等分，在 每一射線上選擇一個水栗的計算工況點，并確定水栗的相對轉(zhuǎn)速，接著計算水栗的額定工 況點和每一計算工況點的相對流量，并以該相對流量確定邊界條件，選擇三維模型的計算 方法和湍流模型，獲取水栗額定工況點和每一計算工況點的三維流場，并記錄水栗各工況 點的水栗相對揚程和相對轉(zhuǎn)矩。
[0030] 步驟3)中，計算水栗各工況點的相對流量所依據(jù)的水栗相似公式：
[0032] 其中，α為水栗的相對轉(zhuǎn)速，u為水栗的相對流量，χ為各條射線對應(yīng)的弧度，其取值 范圍為
[0033] 4)根據(jù)栗的相似理論，將各水栗工況點的水栗相對轉(zhuǎn)速、相對流量、相對揚程和相 對轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成用于栗站水錘分析的Suter曲線。
[0034]步驟4)中計算表征水栗揚程特性的值所依據(jù)的轉(zhuǎn)換公式為：
[0036]其中，Wh(x)為表征水栗揚程特性的值，h為水栗的相對揚程；
[0037]步驟4)中計算表征水栗揚程特性的值所依據(jù)的轉(zhuǎn)換公式為：
[0039] 其中，Wb(x)為表征水栗轉(zhuǎn)矩特性的值，β為水栗的相對轉(zhuǎn)矩。
[0040] 上述實施例中，水栗水力模型的栗可以是離心栗、軸流栗或混流栗，吸水室1可以 是單吸式或雙吸式，葉輪2可以是單級式或多級式。
[0041 ]上述實施例中，位于每一象限內(nèi)的射線個數(shù)均為Ν條，Ν大于等于6且小于等于11。
[0042]上述實施例中，相對轉(zhuǎn)速等于1或負(fù)1。
[0043]上述實施例中，三維模型的計算方法為有限體積法。
[0044] 上述實施例中，湍流模型為k-ε湍流模型。
[0045] 實施例：
[0046] 如圖3所示，本發(fā)明的兩級雙吸離心栗，它包括一級吸水室4、一級葉輪5、一級壓水 室6、連接部分7、二級吸水室8、二級葉輪9和二級壓水室10。其中，兩級雙吸離心栗的額定流 量為0.22立方米/秒，額定揚程為56米，額定轉(zhuǎn)速為1490轉(zhuǎn)/分鐘。
[0047] 1)對兩級雙吸離心栗水力模型中一級吸水室4、一級葉輪5、一級壓水室6、連接部 分7、二級吸水室8、二級葉輪9和二級壓水室10內(nèi)的水體進(jìn)行三維建模，從而獲得兩級雙吸 離心栗的計算域。
[0048] 2)對三維模型劃分網(wǎng)格。
[0049] 3)依據(jù)水栗四象限特性曲線，自坐標(biāo)原點作24條射線將四象限區(qū)域等分，并確定 水栗相對轉(zhuǎn)速等于1或負(fù)1，根據(jù)水栗相似公式，確定24個水栗計算工況點和1個額定水栗工 況點的速度進(jìn)口邊界(如表1所示），出口邊界均采用自由出流；
[0050] 表1各工況點的速度進(jìn)口邊界數(shù)據(jù)表
[0053]其中，V為水栗進(jìn)口速度，其值為正代表進(jìn)口為吸水室，出口為壓水室，其值為負(fù)代 表進(jìn)口為壓水室，出口為吸水室。
[0054] 4)選取RNGk-ε湍流模型和有限體積法作為三維模型的計算方法，獲取水栗額定工 況點和每個計算工況點的三維流場，得到水栗各工況點的水栗的相對揚程和相對轉(zhuǎn)矩(如 表2所示）。
[0055]表2各工況點的水栗相對參數(shù)計算結(jié)果
[0058] 4)根據(jù)各水栗工況點的水栗相對轉(zhuǎn)速、相對流量、相對揚程和相對轉(zhuǎn)矩分別計算 出表征各水栗工況點的水栗揚程特性的值和水栗轉(zhuǎn)矩特性的值(如表3所示），并繪制用于 栗站水錘分析的Sut er曲線(如圖4所示）。
[0059]表3 Suter曲線相關(guān)計算值
[0062]上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，其中各部件的結(jié)構(gòu)、連接方式等都是可以有所 變化的，凡是在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的等同變換和改進(jìn)，均不應(yīng)排除在本發(fā)明的 保護(hù)范圍之外。
【主權(quán)項】
1. 一種獲取水累Suter曲線的Ξ維內(nèi)特性法，其包括w下步驟： 1) 建立水累的水力模型，對水累水力模型內(nèi)的水體域進(jìn)行Ξ維建模； 2) 進(jìn)行Ξ維模型的網(wǎng)格劃分； 3) 依據(jù)水累四象限特性曲線，自坐標(biāo)原點向外作多條射線將四象限區(qū)域等分，在每一 射線上選擇一個水累的計算工況點，并確定水累的相對轉(zhuǎn)速，接著計算水累的額定工況點 和每一計算工況點的相對流量，并W該相對流量確定邊界條件，選擇Ξ維模型的計算方法 和端流模型，獲取水累的額定工況點和每一計算工況點的Ξ維流場，記錄水累各工況點的 水累相對揚程和相對轉(zhuǎn)矩； 4) 根據(jù)累的相似理論，將水累各工況點的水累相對轉(zhuǎn)速、相對流量、相對揚程和相對轉(zhuǎn) 矩轉(zhuǎn)換成用于累站水鍵分析的Suter曲線。2. 如權(quán)利要求1所述的一種獲取水累Suter曲線的Ξ維內(nèi)特性法，其特征在于：在所述 步驟3)中，計算水累各工況點的相對流量所依據(jù)的水累相似公式：其中，α為水累的相對轉(zhuǎn)速，U為水累的相對流量，X為各條射線對應(yīng)的弧度，其取值范圍 為《化。3. 如權(quán)利要求1所述的一種獲取水累Suter曲線的Ξ維內(nèi)特性法，其特征在于:所述步 驟4)中，表征Suter曲線中水累揚程特性的值所依據(jù)的計算公式：其中，Wh(x)為表征水累揚程特性的值，h為水累的相對揚程； 表征Suter曲線中水累轉(zhuǎn)矩特性的值所依據(jù)的計算公式：其中，師(X)為表征水累轉(zhuǎn)矩特性的值，β為水累的相對轉(zhuǎn)矩。4. 如權(quán)利要求1所述的一種獲取水累Suter曲線的Ξ維內(nèi)特性法，其特征在于：在所述 步驟1)中，水累水力模型的累為離屯、累、軸流累或混流累。5. 如權(quán)利要求1所述的一種獲取水累Suter曲線的Ξ維內(nèi)特性法，其特征在于：在所述 步驟3)中，位于每一象限內(nèi)的射線個數(shù)均為N條，N大于等于6且小于等于11。6. 如權(quán)利要求1所述的一種獲取水累Suter曲線的Ξ維內(nèi)特性法，其特征在于：在所述 步驟3)中，水累的相對轉(zhuǎn)速等于1或負(fù)1。7. 如權(quán)利要求1所述的一種獲取水累Suter曲線的Ξ維內(nèi)特性法，其特征在于：在所述 步驟3)中，獲取水累各工況點的Ξ維流場采用的計算方法為有限體積法。8. 如權(quán)利要求1所述的一種獲取水累Suter曲線的Ξ維內(nèi)特性法，其特征在于：在所述 步驟3)中，獲取水累各工況點的Ξ維流場采用的端流模型為k-ε端流模型。
【文檔編號】G06F17/50GK106096186SQ201610479939
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月27日
【發(fā)明人】王福軍, 王玲, 黎珉
【申請人】中國農(nóng)業(yè)大學(xué)