[发明专利]一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法

说明书

本发明提出了一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法，属于水泵水轮机特性分析技术领域。所述方法通过CFD数值模拟方法模拟瞬态飞逸过渡过程，确定单位参数及外特性的变化规律。通过飞逸过渡过程的瞬态计算获得了水泵水轮机在各个部件处的流场压力脉动随时间的变化规律，并通过快速傅里叶变换和短时傅里叶变换来具体分析流场压力脉动的频率成分和来源。同时对一个周期内飞逸过渡过程中流域的压力和流态的演变过程进行分析，并从涡量的角度解释特殊频率成分的形成原因。

技术领域

本发明涉及一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法，属于水泵水轮机特性分析技术领域。

背景技术

抽水蓄能电站最重要的组成部分是水泵水轮机，由于具有水泵和水轮机的双重角色，水泵水轮机在运行过程中会经历复杂的过渡过程，我国对水泵水轮机过渡过程的研究起步较晚，而过渡过程的特性是衡量抽水蓄能电站稳定性的关键因素之一，所以对水泵水轮机的过渡过程进行深入地研究对水泵水轮机的优化设计、安全稳定的运行及充分发挥其经济效益有着很重要的工程实际意义。

现有的针对水泵水轮机运行过程的特性分析方法基本上是选取一系列工况点进行稳态计算去覆盖四个象限，另一方面主要集中在水轮机反S区和水泵驼峰区。但是缺少对水泵水轮机过渡过程的连续过程中工况之间的频繁转换、压力脉动特性以及各种特殊流动的演变规律的研究分析。关于水轮机的过渡过程的研究，更多的是关注如何使用CFD数值模拟准确的实现水轮机瞬态过渡过程和研究水轮机瞬态过渡过程中外特性，而针对实际上水轮机瞬态过渡过程中外特性会发生剧烈的变化，这些变化产生的诱因很少有相关的分析。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术中不足，提出了一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法，所采取的技术方案如下：

一种针对水泵水轮机在飞逸过渡过程的动态特性及内流特性分析方法，所述分析方法包括：

步骤一：分别以蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管为计算区域建立水泵水轮机的三维瞬态计算模型，利用网格划分方法对所述三维瞬态计算模型的计算域进行离散，并通过网格无关性验证确定网格节点数；

步骤二：利用CFD数值模拟方法模拟水泵水轮机瞬态飞逸过渡过程，获得水泵水轮机瞬态飞逸过渡过程中，单位转速和单位流量变化曲线、模型试验静态曲线、飞逸过渡过程中流量和转速随时间的变化规律曲线、转轮水力矩随时间的变化曲线和转轮所受径向力随时间的变化曲线；

步骤三：根据所述单位转速和单位流量变化曲线、模型试验静态曲线、飞逸过渡过程中流量和转速随时间的变化规律曲线、转轮水力矩随时间的变化曲线和转轮所受径向力随时间的变化曲线确定水泵水轮机单位参数和外特性的变化规律；

步骤四：通过飞逸过渡过程的瞬态计算获得水泵水轮机在各个部件处的流场压力脉动随时间的变化规律，并通过快速傅里叶变换和短时傅里叶变换来确定流场压力脉动的频率成分和来源，进而完成所述水泵水轮机动态特性分析；其中，所述频率成分中包括特殊频率成分a、特殊频率成分b和特殊频率成分g；

步骤五：截取飞逸过渡过程的第一个运动周期，根据所述第一个运动周期内的特殊时刻的流道内的压强和流线分布情况获得水泵水轮机内流特性；

步骤六：根据叶栅区域及转轮中间流面的涡量分布情况获得特殊频率成分a、特殊频率成分b和特殊频率成分g的形成原因；

步骤七：根据涡量输运方程的涡的拉伸弯扭项确定双列叶栅及转轮区域内的旋涡流动形成机理，进而完成水泵水轮机内流特性分析；其中，对于质量力有势的不可压缩流体，简化的涡量输运方程如下：

方程中，表示涡的拉伸弯扭项；

表示涡的粘性扩散项。