本發(fā)明涉及一種水輪機(jī)導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸入功率的數(shù)值計(jì)算方法，屬于水力機(jī)械及其系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：在水力機(jī)械調(diào)頻、調(diào)相以及不同工況之間相互轉(zhuǎn)換等水力暫態(tài)過(guò)程中，導(dǎo)葉一直處于不斷的主動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)需要輸入的瞬時(shí)功率計(jì)算就是水力機(jī)械系統(tǒng)領(lǐng)域的難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的計(jì)算方法，基于流動(dòng)簡(jiǎn)化和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)以及安全系數(shù)來(lái)預(yù)估最大的輸入功率，往往與實(shí)際需要的輸入功率相差較大，造成不必要的能源浪費(fèi)。為此，本發(fā)明提出一種水輪機(jī)導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸入功率的數(shù)值計(jì)算方法，可精確計(jì)算導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的瞬時(shí)輸入功率和啟動(dòng)力矩，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，易于機(jī)組導(dǎo)葉控制過(guò)程中輸入功率的優(yōu)化設(shè)計(jì)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明提供了一種水輪機(jī)導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸入功率的數(shù)值計(jì)算方法，以用于克服傳統(tǒng)計(jì)算水輪機(jī)導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸入功率方法上的不足。本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種水輪機(jī)導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸入功率的數(shù)值計(jì)算方法，所述方法的具體步驟如下：Step1、調(diào)用網(wǎng)格劃分模塊，采用兩套網(wǎng)格：流體區(qū)域，導(dǎo)葉邊界區(qū)域；其中流體區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格離散，導(dǎo)葉邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體有限元網(wǎng)格離散；Step2、調(diào)用流體CFD計(jì)算模塊，采用基于分步投影的浸入邊界方法，求解不可壓縮粘性牛頓流體的流動(dòng)控制方程，更新流體狀態(tài)變量，同時(shí)獲得流體作用于導(dǎo)葉邊界區(qū)域節(jié)點(diǎn)上的力密度；Step3、調(diào)用瞬時(shí)輸入功率計(jì)算模塊，獲得作用在導(dǎo)葉上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，進(jìn)而獲得導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)輸入功率；Step4、將瞬時(shí)輸入功率信息輸出到文件，供后臺(tái)處理使用；Step5、判斷是否結(jié)束計(jì)算：如果△t·n＜T，則進(jìn)入下一時(shí)間步，繼續(xù)執(zhí)行步驟Step2、Step3和Step4；如果△t·n≥T，則結(jié)束整個(gè)計(jì)算；其中，△t為時(shí)間步長(zhǎng)，T為要求計(jì)算的總物理時(shí)間，n為時(shí)間步數(shù)。所述流體區(qū)域包括流體和導(dǎo)葉所占據(jù)的空間區(qū)域，導(dǎo)葉邊界區(qū)域指圍成導(dǎo)葉實(shí)體的邊界面。所述步驟Step1中，流體區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格單元中心或節(jié)點(diǎn)上的流體變量稱(chēng)為歐拉變量，并將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息xj輸出到文件fc.dat；導(dǎo)葉邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體有限元網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的變量稱(chēng)為拉格朗日變量，相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)輸出到文件sc.dat。所述步驟Step2中，通過(guò)基于分步投影浸入邊界方法的CFD計(jì)算，實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是獲得流體作用于導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)上的力密度：通過(guò)流體區(qū)域預(yù)測(cè)速度u′(xj,t)和近似光滑函數(shù)得到的導(dǎo)葉邊界拉格朗日節(jié)點(diǎn)上的速度應(yīng)該等于導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)的自然速度來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)力密度的求解，并將結(jié)果輸出到文件sf.dat，供步驟Step3中瞬時(shí)輸入功率計(jì)算模塊使用；其中，為導(dǎo)葉邊界區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的解釋?zhuān)瑃為時(shí)間；二是更新流體狀態(tài)變量：流體區(qū)域速度校正值Δu(xj,t)為：Δu(xj,t)=ΣiCjiF(XBi,t)hΔsiΔt(i=1,2,...M;j=1,2,...,N)---(1)]]>式中，Δsi為導(dǎo)葉邊界區(qū)域第i片邊界的面積，h為流體網(wǎng)格間距，M為導(dǎo)葉邊界區(qū)域總節(jié)點(diǎn)數(shù)，N為流體歐拉網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)，Cji為信息轉(zhuǎn)換矩陣，定義如下：Cji=C(XBi-xj)=1h3φ(XBi-xjh)φ(YBi-yjh)φ(ZBi-zjh)---(2)]]>式中，分別為導(dǎo)葉邊界區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)在x,y,z方向的分量，xj,yj,zj分別為歐拉網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)xj在x,y,z方向的分量；函數(shù)φ可表示為：φ(r)=1/8(3-2|r|+1+4|r|-4r2),0≤|r|<11/8(5-2|r|+-7+12|r|-4r2),1≤|r|<20,2≤|r|---(3)]]>式中，r為函數(shù)φ的自變量；流體區(qū)域速度可由下式更新，u(xj,t)＝u′(xj,t)+Δu(xj,t)(4)。所述步驟Step3中，獲得作用在導(dǎo)葉上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，進(jìn)而獲得導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)輸入功率：首先獲得瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩MC(t)：MC(t)=Σi=1Mri×F(XBi,t)hΔsi(i=1,2,...M)---(5)]]>式中，ri為力密度作用點(diǎn)到導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)軸的垂直距離；再獲得導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)輸入功率P(t)：P(t)=MC(t)θ·(t)---(6)]]>式中，為導(dǎo)葉定軸旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)角速度；通過(guò)對(duì)式(6)的求解，獲得每一時(shí)刻導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)需要的瞬時(shí)輸入功率，并將結(jié)果輸出到文件power.dat，供步驟Step4中的后臺(tái)處理使用。本發(fā)明的有益效果是：1、本發(fā)明提出一種水輪機(jī)導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸入功率的數(shù)值計(jì)算方法，可適時(shí)計(jì)算導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的瞬時(shí)輸入功率和啟動(dòng)功率，克服了傳統(tǒng)的基于流動(dòng)簡(jiǎn)化和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)以及安全系數(shù)來(lái)預(yù)估最大輸入功率的缺點(diǎn)。2、本發(fā)明采用基于固定網(wǎng)格技術(shù)的投影浸入邊界數(shù)值計(jì)算方法來(lái)求解大位移的動(dòng)邊界問(wèn)題，可精確計(jì)算導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中導(dǎo)葉邊界受到的流體動(dòng)力。而傳統(tǒng)的基于動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)的動(dòng)邊界求解方法，大幅度的導(dǎo)葉運(yùn)動(dòng)往往導(dǎo)致流體區(qū)域網(wǎng)格更新的失敗，而本發(fā)明正是彌補(bǔ)這一重要缺陷。3、本發(fā)明使用的計(jì)算流程物理概念清晰，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，易于程序設(shè)計(jì)，便于機(jī)組導(dǎo)葉控制過(guò)程中輸入功率的優(yōu)化設(shè)計(jì)。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明中的流程圖；圖2為本發(fā)明中算例采用的導(dǎo)葉幾何尺寸和計(jì)算示意圖；圖3為本發(fā)明中一個(gè)周期內(nèi)不同導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)方式下轉(zhuǎn)角隨時(shí)間的演化過(guò)程；圖4為本發(fā)明中計(jì)算得到的一個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)葉瞬時(shí)輸入功率隨時(shí)間的演化過(guò)程。具體實(shí)施方式實(shí)施例1：如圖1-4所示，一種水輪機(jī)導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸入功率的數(shù)值計(jì)算方法，所述方法的具體步驟如下：Step1、調(diào)用網(wǎng)格劃分模塊，采用兩套網(wǎng)格：流體區(qū)域，導(dǎo)葉邊界區(qū)域；其中流體區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格離散，導(dǎo)葉邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體有限元網(wǎng)格離散；Step2、調(diào)用流體CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))計(jì)算模塊，采用基于分步投影的浸入邊界方法，求解不可壓縮粘性牛頓流體的流動(dòng)控制方程，更新流體狀態(tài)變量，同時(shí)獲得流體作用于導(dǎo)葉邊界區(qū)域節(jié)點(diǎn)上的力密度；Step3、調(diào)用瞬時(shí)輸入功率計(jì)算模塊，獲得作用在導(dǎo)葉上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，進(jìn)而獲得導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)輸入功率；Step4、將瞬時(shí)輸入功率信息輸出到文件，供后臺(tái)處理使用；Step5、判斷是否結(jié)束計(jì)算：如果△t·n＜T，則進(jìn)入下一時(shí)間步，繼續(xù)執(zhí)行步驟Step2、Step3和Step4；如果△t·n≥T，則結(jié)束整個(gè)計(jì)算；其中，△t為時(shí)間步長(zhǎng)，T為要求計(jì)算的總物理時(shí)間，n為時(shí)間步數(shù)。所述流體區(qū)域包括流體和導(dǎo)葉所占據(jù)的空間區(qū)域，導(dǎo)葉邊界區(qū)域指圍成導(dǎo)葉實(shí)體的邊界面。所述步驟Step1中，流體區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格單元中心或節(jié)點(diǎn)上的流體變量稱(chēng)為歐拉變量，并將網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息xj輸出到文件fc.dat；導(dǎo)葉邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體有限元網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的變量稱(chēng)為拉格朗日變量，相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)輸出到文件sc.dat。所述步驟Step2中，通過(guò)基于分步投影浸入邊界方法的CFD計(jì)算，實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是獲得流體作用于導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)上的力密度：通過(guò)流體區(qū)域預(yù)測(cè)速度u′(xj,t)和近似光滑函數(shù)得到的導(dǎo)葉邊界拉格朗日節(jié)點(diǎn)上的速度應(yīng)該等于導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)的自然速度來(lái)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)力密度的求解，并將結(jié)果輸出到文件sf.dat，供步驟Step3中瞬時(shí)輸入功率計(jì)算模塊使用；其中，為導(dǎo)葉邊界區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的解釋?zhuān)瑃為時(shí)間；二是更新流體狀態(tài)變量：流體區(qū)域速度校正值Δu(xj,t)為：Δu(xj,t)=ΣiCjiF(XBi,t)hΔsiΔt(i=1,2,...M;j=1,2,...,N)---(1)]]>式中，Δsi為導(dǎo)葉邊界區(qū)域第i片邊界的面積，h為流體網(wǎng)格間距，M為導(dǎo)葉邊界區(qū)域總節(jié)點(diǎn)數(shù)，N為流體歐拉網(wǎng)格總節(jié)點(diǎn)數(shù)，Cji為信息轉(zhuǎn)換矩陣，定義如下：Cji=C(XBi-xj)=1h3φ(XBi-xjh)φ(YBi-yjh)φ(ZBi-zjh)---(2)]]>式中，分別為導(dǎo)葉邊界區(qū)域網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)在x,y,z方向的分量，xj,yj,zj分別為歐拉網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)xj在x,y,z方向的分量；函數(shù)φ可表示為：φ(r)=1/8(3-2|r|+1+4|r|-4r2),0≤|r|<11/8(5-2|r|+-7+12|r|-4r2),1≤|r|<20,2≤|r|---(3)]]>式中，r為函數(shù)φ的自變量；流體區(qū)域速度可由下式更新，u(xj,t)＝u′(xj,t)+Δu(xj,t)(4)。所述步驟Step3中，獲得作用在導(dǎo)葉上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，進(jìn)而獲得導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)輸入功率：首先獲得瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩MC(t)：MC(t)=Σi=1Mri×F(XBi,t)hΔsi(i=1,2,...M)---(5)]]>式中，ri為力密度作用點(diǎn)到導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)軸的垂直距離；再獲得導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)輸入功率P(t)：P(t)=MC(t)θ·(t)---(6)]]>式中，為導(dǎo)葉定軸旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)角速度；通過(guò)對(duì)式(6)的求解，獲得每一時(shí)刻導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)需要的瞬時(shí)輸入功率，并將結(jié)果輸出到文件power.dat，供步驟Step4中的后臺(tái)處理使用。實(shí)施例2：如圖1-4所示，一種水輪機(jī)導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸入功率的數(shù)值計(jì)算方法，所述方法的具體步驟如下：Step1、調(diào)用網(wǎng)格劃分模塊，采用兩套網(wǎng)格：流體區(qū)域，導(dǎo)葉邊界區(qū)域；其中流體區(qū)域在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格離散，導(dǎo)葉邊界區(qū)域在拉格朗日描述下使用適體有限元網(wǎng)格離散；Step2、調(diào)用流體CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))計(jì)算模塊，采用基于分步投影的浸入邊界方法，求解不可壓縮粘性牛頓流體的流動(dòng)控制方程，更新流體狀態(tài)變量，同時(shí)獲得流體作用于導(dǎo)葉邊界區(qū)域節(jié)點(diǎn)上的力密度；Step3、調(diào)用瞬時(shí)輸入功率計(jì)算模塊，獲得作用在導(dǎo)葉上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，進(jìn)而獲得導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)輸入功率；Step4、將瞬時(shí)輸入功率信息輸出到文件，供后臺(tái)處理使用；Step5、判斷是否結(jié)束計(jì)算：如果△t·n＜T，則進(jìn)入下一時(shí)間步，繼續(xù)執(zhí)行步驟Step2、Step3和Step4；如果△t·n≥T，則結(jié)束整個(gè)計(jì)算；其中，△t為時(shí)間步長(zhǎng)，T為要求計(jì)算的總物理時(shí)間，n為時(shí)間步數(shù)。實(shí)施例3：如圖1-4所示，一種水輪機(jī)導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)輸入功率的數(shù)值計(jì)算方法，所述方法的具體步驟如下：如圖1所示，某水輪機(jī)導(dǎo)葉翼型弦長(zhǎng)a＝1.1928，樞軸點(diǎn)位于弦長(zhǎng)線的中心點(diǎn)，距離前緣的距離b＝0.5558，上游的特征速度用U表示，用θ0表示最大轉(zhuǎn)角，導(dǎo)葉翼型繞樞軸點(diǎn)O′并垂直于導(dǎo)葉翼型的軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角θ變化規(guī)律由(7)式控制，表示如下：θ=θ0sin(βωt),0≤t≤π2βω;θ0,π2βω<t≤π2ω(2-1β);θ0sin[βωt+π(1-β)],π2ω(2-1β)<t≤π2ω(2+1β);-θ0,π2ω(2+1β)<t≤π2ω(2+1β);θ0sin[βω+2π(1-β)],π2ω(4-1β)<t≤2πω;---(7)]]>其中，圓頻率ω＝2πf，f為運(yùn)動(dòng)頻率。β為某一常數(shù)，β＝1.0時(shí)擺角以正弦曲線變化，當(dāng)β值從1.0逐漸增加時(shí)，轉(zhuǎn)角變化從正弦曲線變?yōu)榉讲ㄇ€，如圖2所示。雷諾數(shù)ρ為流體密度，μ為流體的動(dòng)力學(xué)黏性系數(shù)。S1：網(wǎng)格劃分流體區(qū)域(包括流體和導(dǎo)葉邊界區(qū)域)在歐拉描述下采用笛卡爾網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格為均勻四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格間距為h＝0.01a，并將單元坐標(biāo)信息輸出到文件fc.dat，導(dǎo)葉邊界區(qū)域，在拉格朗日描述下使用有限元網(wǎng)格劃分，間距為0.01a，相應(yīng)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息文件輸出到sc.dat文件。S2：調(diào)用流體CFD計(jì)算模塊，更新流體狀態(tài)變量，同時(shí)獲得流體作用于導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)上的力密度；通過(guò)流體區(qū)域預(yù)測(cè)速度u′(xj,t)和近似光滑函數(shù)得到的導(dǎo)葉邊界拉格朗日節(jié)點(diǎn)上的速度應(yīng)該等于給定的導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)的自然速度。對(duì)于繞定軸旋轉(zhuǎn)的導(dǎo)葉，其導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)的自然速度此處表示轉(zhuǎn)角θ對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。即有從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉邊界節(jié)點(diǎn)上力密度的求解，并將結(jié)果輸出到文件sf.dat，供下一步驟S3中瞬時(shí)輸入功率計(jì)算模塊使用。S3：調(diào)用導(dǎo)葉瞬時(shí)輸入功率計(jì)算模塊，獲得作用在導(dǎo)葉上的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，進(jìn)而獲得導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)輸入功率：首先獲得導(dǎo)葉瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩MC(t)，即MC(t)=Σi=1Mri×F(XBi,t)hΔsi(i=1,2,...M)---(8)]]>式中ri為力密度作用點(diǎn)到導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動(dòng)軸(導(dǎo)葉繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng))的垂直距離。再獲得導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)的瞬時(shí)輸入功率P(t)，即：P(t)=MC(t)θ·(t)---(9)]]>通過(guò)對(duì)式(9)的求解，獲得每一時(shí)刻導(dǎo)葉主動(dòng)旋轉(zhuǎn)需要的瞬時(shí)輸入功率，并將結(jié)果輸出到文件power.dat，供步驟S4中的后處理使用。S4：調(diào)用結(jié)果輸出模塊，將導(dǎo)葉瞬時(shí)輸入功率信息輸出到文件，供后處理軟件讀取顯示。S5：時(shí)間推進(jìn)在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)計(jì)算完成后，轉(zhuǎn)入下一個(gè)時(shí)間步，重復(fù)上述步驟S2-S4，直到滿(mǎn)足計(jì)算時(shí)間要求停止計(jì)算。本例取時(shí)間步長(zhǎng)Δt＝0.001s，f＝0.16，θ0＝75°，計(jì)算總時(shí)間T＝6.25s，共計(jì)時(shí)間步數(shù)n＝6250。圖4分別給出了一個(gè)周期內(nèi)不同β值下導(dǎo)葉瞬時(shí)輸入功率隨時(shí)間的變化。首先從圖中可以看出，隨著β值的增加，輸入功率都逐漸增加。其次，峰值輸入功率分別出現(xiàn)在最大擺角θ＝75°和θ＝0°附近，且θ＝0°附近的輸入功率最大。再者，不同β值下，峰值輸入功率出現(xiàn)的時(shí)刻略有差異，β值越大，在最大擺角附近的峰值輸入功率越先出現(xiàn)，而在θ＝0°附近的峰值輸入功率越后出現(xiàn)。上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作了詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識(shí)范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3