一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法
【专利摘要】本发明涉及一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法，其包括以下步骤：1)建立水泵的水力模型，对水泵水力模型内的水体域进行三维建模；2)进行三维模型的网格划分；3)依据水泵四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条射线将四象限区域等分，在每一射线上选择一个水泵计算工况点，确定水泵的相对转速，并根据水泵相似公式分别计算多个水泵计算工况点和一水泵额定工况点的相对流量以确定边界条件，选择三维模型的计算方法和湍流模型，接着计算水泵额定工况点和每个水泵计算工况点的三维流场，得到各水泵工况点的水泵相对扬程和相对转矩；4)根据泵的相似理论，将各水泵工况点的水泵相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩转换成用于泵站水锤分析的Suter曲线。本发明能够适时、准确地获取水泵Suter曲线。
【专利说明】
一种获取水泵Suter曲线的三维内特性法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种获取水栗Suter曲线的三维内特性法，属于水利工程栗站技术领 域。
【背景技术】
[0002] 输水栗站广泛应用于跨流域调水、农业灌溉、城市供水等领域。如果要保证输水栗 站不发生有害水锤，则需要在栗站设计阶段进行较为准确的水锤计算与分析。其中，水栗的 Suter曲线对栗站水锤的计算精度起着至关重要的作用。一般来讲，水栗Suter曲线需要通 过水栗模型试验得到。对于初设阶段的栗站，或者建站较早而需要改造的栗站，往往无法获 得水栗水力模型，也就无法得到用于水锤分析的水栗Suter曲线。现有估算水栗Suter曲线 的方法，是根据已有的几个典型比转速的单级单吸栗Suter曲线，通过插值计算近似得到所 需水栗Suter曲线。由于这种方法所获得的Suter曲线和实际相差很大，因此常会影响到栗 站水锤的计算精度。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种获取水栗Suter曲线的三维内特性法，能 够实现输水栗站水锤的精确计算与分析，以检测栗站的设计和运行调度是否合理。
[0004] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种获取水栗Suter曲线的三维内特 性法，其包括以下步骤：1)建立水栗的水力模型，对水栗水力模型内的水体域进行三维建 模;2)进行三维模型的网格划分;3)依据水栗四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条射线 将四象限区域等分，在每一射线上选择一个水栗的计算工况点，并确定水栗的相对转速，接 着计算水栗的额定工况点和每一计算工况点的相对流量，并以该相对流量确定边界条件， 选择三维模型的计算方法和湍流模型，获取水栗的额定工况点和每一计算工况点的三维流 场，记录水栗各工况点的水栗相对扬程和相对转矩;4)根据栗的相似理论，将水栗各工况点 的水栗相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩转换成用于栗站水锤分析的Suter曲线。
[0005] 在所述步骤3)中，计算水栗各工况点的相对流量所依据的水栗相似公式：
[0007] 其中，α为水栗的相对转速，u为水栗的相对流量，X为各条射线对应的弧度，其取值 范围为
[0008] 所述步骤4)中，表征Suter曲线中水栗扬程特性的值所依据的计算公式：
[0010]其中，Wh(x)为表征水栗扬程特性的值，h为水栗的相对扬程；
[0011 ]表征Suter曲线中水栗转矩特性的值所依据的计算公式：
[0013] 其中，Wb(x)为表征水栗转矩特性的值，β为水栗的相对转矩。
[0014] 在所述步骤1)中，水栗水力模型的栗为离心栗、轴流栗或混流栗。
[0015] 在所述步骤3)中，位于每一象限内的射线个数均为Ν条，Ν大于等于6且小于等于 11〇
[0016] 在所述步骤3)中，水栗的相对转速等于1或负1。
[0017] 在所述步骤3)中，获取水栗各工况点的三维流场采用的计算方法为有限体积法。
[0018] 在所述步骤3)中，获取水栗各工况点的三维流场采用的湍流模型为k-ε湍流模型。
[0019] 本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明设置了水栗的水力模 型，对水栗水力模型内的水体域进行三维建模，能够在无法或无需进行水栗装置模型试验 的情况下，准确地确定水体域。2、本发明依据水栗四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条 射线将四象限区域等分，在每一射线上选择一个水栗的计算工况点，并确定水栗相对转速 等于1或负1，且能够快速地确定水栗额定工况点和每一计算工况点的相对流量。3、本发明 根据栗的相似理论，将每一水栗工况点的水栗相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩转 换成用于栗站水锤分析的Suter曲线，所获得的Suter曲线准确性高，提高了栗站水锤的计 算精度，能够检测输水栗站的运行调度。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明水栗水力模型吸水室和叶轮的结构示意图
[0021] 图2是本发明水栗水力模型压水室的结构示意图
[0022] 图3是本发明两级双吸离心栗的结构示意图 [0023]图4是本发明两级双吸离心栗的Suter曲线图
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0025]本发明提出的获取水栗Suter曲线的三维内特性法，其包括以下步骤：
[0026] 1)建立水栗的水力模型，并对水栗水力模型内的水体域进行三维建模。
[0027] 如图1、图2所示，选择相近叶轮比转速ns的同类型水栗，基于同类型水栗的几何尺 寸建立水栗水力模型，水栗水力模型包括吸水室1、叶轮2和压水室3。
[0028] 2)进行三维模型的网格划分。
[0029] 3)依据水栗四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条射线将四象限区域等分，在 每一射线上选择一个水栗的计算工况点，并确定水栗的相对转速，接着计算水栗的额定工 况点和每一计算工况点的相对流量，并以该相对流量确定边界条件，选择三维模型的计算 方法和湍流模型，获取水栗额定工况点和每一计算工况点的三维流场，并记录水栗各工况 点的水栗相对扬程和相对转矩。
[0030] 步骤3)中，计算水栗各工况点的相对流量所依据的水栗相似公式：
[0032] 其中，α为水栗的相对转速，u为水栗的相对流量，χ为各条射线对应的弧度，其取值 范围为
[0033] 4)根据栗的相似理论，将各水栗工况点的水栗相对转速、相对流量、相对扬程和相 对转矩转换成用于栗站水锤分析的Suter曲线。
[0034]步骤4)中计算表征水栗扬程特性的值所依据的转换公式为：
[0036]其中，Wh(x)为表征水栗扬程特性的值，h为水栗的相对扬程；
[0037]步骤4)中计算表征水栗扬程特性的值所依据的转换公式为：
[0039] 其中，Wb(x)为表征水栗转矩特性的值，β为水栗的相对转矩。
[0040] 上述实施例中，水栗水力模型的栗可以是离心栗、轴流栗或混流栗，吸水室1可以 是单吸式或双吸式，叶轮2可以是单级式或多级式。
[0041 ]上述实施例中，位于每一象限内的射线个数均为Ν条，Ν大于等于6且小于等于11。
[0042]上述实施例中，相对转速等于1或负1。
[0043]上述实施例中，三维模型的计算方法为有限体积法。
[0044] 上述实施例中，湍流模型为k-ε湍流模型。
[0045] 实施例：
[0046] 如图3所示，本发明的两级双吸离心栗，它包括一级吸水室4、一级叶轮5、一级压水 室6、连接部分7、二级吸水室8、二级叶轮9和二级压水室10。其中，两级双吸离心栗的额定流 量为0.22立方米/秒，额定扬程为56米，额定转速为1490转/分钟。
[0047] 1)对两级双吸离心栗水力模型中一级吸水室4、一级叶轮5、一级压水室6、连接部 分7、二级吸水室8、二级叶轮9和二级压水室10内的水体进行三维建模，从而获得两级双吸 离心栗的计算域。
[0048] 2)对三维模型划分网格。
[0049] 3)依据水栗四象限特性曲线，自坐标原点作24条射线将四象限区域等分，并确定 水栗相对转速等于1或负1，根据水栗相似公式，确定24个水栗计算工况点和1个额定水栗工 况点的速度进口边界(如表1所示），出口边界均采用自由出流；
[0050] 表1各工况点的速度进口边界数据表
[0053]其中，V为水栗进口速度，其值为正代表进口为吸水室，出口为压水室，其值为负代 表进口为压水室，出口为吸水室。
[0054] 4)选取RNGk-ε湍流模型和有限体积法作为三维模型的计算方法，获取水栗额定工 况点和每个计算工况点的三维流场，得到水栗各工况点的水栗的相对扬程和相对转矩(如 表2所示）。
[0055]表2各工况点的水栗相对参数计算结果
[0058] 4)根据各水栗工况点的水栗相对转速、相对流量、相对扬程和相对转矩分别计算 出表征各水栗工况点的水栗扬程特性的值和水栗转矩特性的值(如表3所示），并绘制用于 栗站水锤分析的Sut er曲线(如图4所示）。
[0059]表3 Suter曲线相关计算值
[0062]上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式等都是可以有所 变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的 保护范围之外。
【主权项】
1. 一种获取水累Suter曲线的Ξ维内特性法，其包括w下步骤： 1) 建立水累的水力模型，对水累水力模型内的水体域进行Ξ维建模； 2) 进行Ξ维模型的网格划分； 3) 依据水累四象限特性曲线，自坐标原点向外作多条射线将四象限区域等分，在每一 射线上选择一个水累的计算工况点，并确定水累的相对转速，接着计算水累的额定工况点 和每一计算工况点的相对流量，并W该相对流量确定边界条件，选择Ξ维模型的计算方法 和端流模型，获取水累的额定工况点和每一计算工况点的Ξ维流场，记录水累各工况点的 水累相对扬程和相对转矩； 4) 根据累的相似理论，将水累各工况点的水累相对转速、相对流量、相对扬程和相对转 矩转换成用于累站水键分析的Suter曲线。2. 如权利要求1所述的一种获取水累Suter曲线的Ξ维内特性法，其特征在于：在所述 步骤3)中，计算水累各工况点的相对流量所依据的水累相似公式：其中，α为水累的相对转速，U为水累的相对流量，X为各条射线对应的弧度，其取值范围 为《化。3. 如权利要求1所述的一种获取水累Suter曲线的Ξ维内特性法，其特征在于:所述步 骤4)中，表征Suter曲线中水累扬程特性的值所依据的计算公式：其中，Wh(x)为表征水累扬程特性的值，h为水累的相对扬程； 表征Suter曲线中水累转矩特性的值所依据的计算公式：其中，师(X)为表征水累转矩特性的值，β为水累的相对转矩。4. 如权利要求1所述的一种获取水累Suter曲线的Ξ维内特性法，其特征在于：在所述 步骤1)中，水累水力模型的累为离屯、累、轴流累或混流累。5. 如权利要求1所述的一种获取水累Suter曲线的Ξ维内特性法，其特征在于：在所述 步骤3)中，位于每一象限内的射线个数均为N条，N大于等于6且小于等于11。6. 如权利要求1所述的一种获取水累Suter曲线的Ξ维内特性法，其特征在于：在所述 步骤3)中，水累的相对转速等于1或负1。7. 如权利要求1所述的一种获取水累Suter曲线的Ξ维内特性法，其特征在于：在所述 步骤3)中，获取水累各工况点的Ξ维流场采用的计算方法为有限体积法。8. 如权利要求1所述的一种获取水累Suter曲线的Ξ维内特性法，其特征在于：在所述 步骤3)中，获取水累各工况点的Ξ维流场采用的端流模型为k-ε端流模型。
【文档编号】G06F17/50GK106096186SQ201610479939
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月27日
【发明人】王福军, 王玲, 黎珉
【申请人】中国农业大学