一种基于CFD的鱼类友好泵叶片撞击模型的修正方法

本发明涉及到生态环境保护与水力机械设计技术领域，尤其涉及到一种基于cfd的鱼类友好泵叶片撞击模型的修正方法。

背景技术：

轴流泵被广泛应用在大流量、低扬程的调水工程中。轴流泵在运行时，鱼类随着水流通过轴流泵会受到叶片的撞击，这一撞击可能造成鱼类的损伤甚至死亡。准确预测叶片的撞击概率不仅可以准确的评估叶轮的鱼类友好性而且可以节省大量的实验成本，因此，撞击概率的准确预测不仅关乎国家水体环境维护和濒危水生动物保护，也对我国水利工程生态型快速发展有至关重要的意义。传统的叶片撞击模型预测到的鱼类撞击概率值远远大于实际的测量值，如何修正传统的叶片撞击模型使得预测的概率值更加接近实际的概率值显得尤为重要。

经检索，未发现与本发明所提出的一种可精确预测轴流泵叶片进口撞击的概率的方法相同的文献和专利。

技术实现要素：

针对叶片撞击模型在预测鱼类通过轴流泵叶轮时所受到的叶片撞击概率误差大的问题，对传统的叶片撞击模型进行修正。修正后的叶片撞击模型考虑到叶轮内部压力对鱼体产生的影响，修正后的叶片撞击模型预测到的叶片撞击概率误差更小，这对评估轴流泵的鱼类友好性具有重要的意义。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种基于cfd的鱼类友好泵叶片撞击模型的修正方法，包括如下步骤：利用cfd数值模拟得到轴流泵叶轮内沿圆周切向方向的压差梯度，进而得到轴流泵叶轮内部的平均压差梯度pave；根据平均压差梯度pave和鱼体的侧面积得到作用在鱼体表面上的力，进而由鱼体的质量得到鱼体的加速度，最终得到鱼体在进入轴流泵叶轮叶片进口过流断面的过程中受到叶片撞击的临界时间，从而对传统的叶片撞击模型进行修正。

进一步的，所述轴流泵叶轮内部沿圆周切向方向的压差梯度为：

式中：p-叶轮内部的压强，pa。

进一步的，在cfx后处理中求得轴流泵叶轮中沿着沿圆周切向方向的平均压差梯度pave。

进一步的，根据测量得到通过轴流泵叶轮内鱼的长度lf，鱼的侧面积a，鱼的质量m1，得到作用在鱼体上的力：

f＝pavea(2)

式中：f-作用在鱼体上的力，n；

pave-某一流面内与圆周速度同方向的压力梯度平均值，n；

a-鱼的侧面积，m²。

进一步的，根据作用在鱼体上的力得到鱼体的加速度：

式中：a-鱼体的加速度，m/s²；

m1-鱼体的质量，kg。

进一步的，传统的叶片撞击模型pth为：

式中：tf为鱼通过叶片前缘的时间，s；

lf为鱼体长度，m；

vm1为叶轮入口处液流轴面速度，m/s；

q为流量，m³/s；

a1为叶片入口过流断面面积，m²；

tb-叶片通过单个叶片距需要的时间，s；

修正后的叶片撞击模型为：

式中：u为叶轮进口圆周速度，m/s；

tf修-一个流面内鱼通过叶片前缘的修正时间，s；

pth修-一个流面内鱼受到撞击的概率。

进一步的，tf修随着半径的变化而变化，对修正后的叶片撞击概率在半径方向上采用面积分得：

式中：pth修总为叶片撞击概率在半径方向上的面积分；

r1为叶片进口处的轮毂半径，m；

r2为叶片进口处的轮缘半径，m；将公式(3)和公式(7)带入到公式(8)中得：

式中：n为转速，r/min。

本发明的有益效果是：

1.结合cfd计算结果对传统的叶片撞击模型进行修正，将压力对鱼体的影响考虑进去。修正后的叶片撞击模型预测到的叶片撞击概率误差更小，更加的符合实际，这对评估轴流泵的鱼类友好性具有重要的意义；

2.传统的叶片撞击模型的预测值远远大于叶片撞击实验值，原因在于没有考虑叶轮内压力梯度对鱼体的影响，压力梯度作用会使传统叶片撞击模型预测到的一些撞击不存在，修正后的叶片撞击模型预测值更加接近真实值。

3.基于cfd数值模拟结果得到叶轮内部沿着圆周方向的平均压差，根据这一压差对鱼体产生的影响对叶片撞击概率公式进行修正，该修正可以有效降低叶片撞击概率的预测误差，使得叶片撞击概率与叶片撞击死亡率预测值更加的精确。

附图说明

图1为传统的叶片撞击模型；

图2为修正的叶片撞击模型。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

基于cfd的叶片撞击模型的修正，主要改进为将叶轮内部沿着圆周径向方向的压力对鱼类的作用与传统的叶片撞击模型相结合得到一种修正的叶片撞击模型，具体操作步骤为：

(1)对轴流泵各部件的水体进行三维建模；

(2)将各水力部件进行网格划分；

(3)用cfd进行数值模拟；

(4)从数值模拟中提取叶轮内部沿着圆周方向的平均压力梯度；

(5)将平均压力梯度与鱼类的侧面面积相乘得到作用在鱼类上的作用力；

(6)作用在鱼类身上的力是的鱼类产生了一定的加速度；

(7)鱼体具有的加速度使得传统叶片撞击模型中预测到的撞击实际上并不存在；

(8)将作用在鱼体身上的压力考虑到叶片撞击中得出的一种基于cfd修正的叶片撞击模型。

为更清楚的展示发明，结合1和图2对本发明进行说明。如图1为传统的叶片撞击模型，传统的叶片撞击模型认为当叶片转过单个叶片距，即叶片从a转到c时，从ab进口边处进入叶轮的鱼类将受到叶片的撞击，这是因为鱼类运动的速度和方向与vm1的运动速度和方向一致，ab边的长度为utf，ac边的长度为utb，传统的叶片撞击模型得到的叶片撞击概率为

实际中的鱼类通过叶片进口过流断面的过程中，会受到叶轮内部沿着圆周方向的压力梯度的作用，这一压力梯度将使鱼体受到结合附图2中的力f，力f使得鱼体产上了一个与叶轮旋转方向相同的一个速度，这一速度使得从b点左侧进入叶片进口过流断面的一些鱼体并不会受到叶片的撞击，经过计算得到基于cfd修正的叶片撞击模型预测到的叶片撞击概率为：其中，cfd(computationalfluiddynamics)为计算流体力学。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。