[发明专利]一种水锤泵内部流道评价及优化方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水锤泵内部流道评价及优化方法，是一种水工机械的设计研制方法，是一种水锤泵的数字化开发设计研制方法。

背景技术

水锤泵是一种自动泵水机械，利用流水的动力使两个止回阀周期性交替启闭所产生的水锤作用，将来流的一部分水泵送至更高的位置，在缺电、无电的山区、农村以及微水能资源丰富的城镇河道具有广阔的应用前景。

如何制造高效率、大扬水量的水锤泵产品，是人们最为关注的问题。早期的产品设计过程一般是：研究人员根据流体力学知识进行分析，草绘水锤泵的加工图纸；制造商按照图纸进行加工，制造样机；研究人员对水锤泵的各项性能进行实验测试，展开分析，并提出优化方案，绘制图纸；制造商加工产品，研究人员测试、分析、优化等。一个产品的定型需要多次进行图纸绘制、样机制造和模型试验，浪费了大量的人力和物力，研发周期长，且产品的性能往往存在很大的提升空间。

发明内容

为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种水锤泵内部流道评价及优化方法。所述的方法通过评析水锤泵内部流道的性能，并据此优化流道结构，获得水力性能较优的水锤泵内部流道，是一种全数字化的设计研制开发方法。

本发明的目的是这样实现的：一种水锤泵内部流道评价及优化方法，所述方法的步骤如下：

初步设计的步骤：根据需求进行水锤泵初步设计，确定水锤泵的基本参数包括：作用水头、流道形式、各个尺寸要素；

建立指标体系的步骤：对水锤泵内部流道进行流体力学分析，建立相应的评价指标体系，包括：流道的水头损失系数、升力系数、阀瓣受力偏心距、出口流速分布均匀度；

建立数学模型的步骤：建立水锤泵内部流道数值计算的数学模型，包括数值计算方法、网格划分、边界条件；

数值计算的步骤：使用建立的数学模型对流道进行数值计算，获得相应的流道指标；

数据判断的步骤：对流道指标进行分析，判断流道的各项指标是否符合评价指标体系中的各项指标，如果“是”则确定设计参数，并进入样机研制的步骤，如果“否”则进入下一步骤；

优化的步骤：根据分析结果对流道参数进行优化，优化之后回到数值计算的步骤；

样机研制的步骤：根据确定的设计参数进行工程设计，并制造样机；

样机分析的步骤：对样机的各项指标进行测试，并分析各项测试参数是否符合指标体系的各项参数指标，同时判断扬水量、效率指标是否达到或超过已有产品的各项指标，如果“是”则结束过程，如果“否”回到优化的步骤。

进一步的，所述的流道的水头损失系数的计算公式为：

式中：E_i为断面总水头，；为断面的速度水头；g为重力加速度；为断面的压力水头；ρ为水的密度；z_i为断面的位置水头；E₂为水锤泵进口断面的总水头；E₁为泄水阀出口断面的总水头；V为动力水管水流流速，；Q为流经水锤泵的水量；A为动力水管的断面面积。

进一步的，所述的升力系数的计算公式为：

式中：Δp为水流作用于阀瓣的压强差，用公式计算，F为水流对泄水阀阀瓣的作用力，用F=F_L－ F_U，F_L为水流对阀瓣下表面的作用力，F_U为水流对阀瓣上表面的作用力，F_L、F_U用公式计算：

，

式中：S为泄水阀阀瓣的面域；p为阀瓣所受到的压力，p_i为离散的阀瓣微元i的压力；A_i为微元i的面积；对于连续的求解域，按等式第二项积分求解；对于离散的求解域，按等式第三项求解；

A_V为泄水阀阀瓣的面积，；D_V为阀瓣直径。

进一步的，所述的阀瓣受力偏心距的计算公式为：