一種基于cfd的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于CFD(Computational fluid dynamics)的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量 性能預(yù)測的方法，屬于水利工程和機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在我國的大型灌排泵站平均裝置效率僅為40 %~50 %，能源單耗平均達(dá)7~ 8kW · V(kt · m)，泵裝置效率距《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50265-2010)第9. I. 11節(jié)中泵裝置效 率的要求相差很多，很多泵站實(shí)際運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況，對(duì)于這些低效率泵裝置，除 了水力模型的更換或進(jìn)出水流道的改造，還可通過加裝可調(diào)導(dǎo)葉措施對(duì)泵裝置的運(yùn)行工況 進(jìn)行調(diào)節(jié)以使泵裝置在高效率范圍內(nèi)運(yùn)行。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研宄成果表明：可調(diào)導(dǎo)葉可 用于調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運(yùn)行工況，且具有很好的調(diào)節(jié)效果。對(duì)于確定的泵而言，可調(diào)導(dǎo)葉在何 安放角度時(shí)最適宜目前僅能通過物理模型試驗(yàn)的方法來獲取，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)泵的工況變化 范圍大、物理模型試驗(yàn)又耗時(shí)耗費(fèi)、且有有較大的人為因素差，有沒有什么方法可以快速預(yù) 測不同可調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)泵的能量性能。經(jīng)檢索，至今尚未見關(guān)于可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能 預(yù)測方法的文獻(xiàn)和申報(bào)專利，僅有學(xué)者做了一些可調(diào)導(dǎo)葉內(nèi)部流態(tài)的CFD數(shù)值模擬分析等 相關(guān)工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明專利的目的就是針對(duì)上述技術(shù)存在的問題，提供一種簡便可靠的基于CFD 的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的方法，主要解決3個(gè)方面問題：①提出了基于CFD數(shù)值計(jì)算 預(yù)測泵能量性能的數(shù)值計(jì)算方法；②解決了如何擴(kuò)大泵能量性能數(shù)據(jù)庫樣本數(shù)量的技術(shù)策 略；③建立一種簡單方便的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能的數(shù)學(xué)模型。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種基于CFD的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的方法，其 特征是，基于泵的CFD數(shù)值計(jì)算構(gòu)建泵的能量性能數(shù)據(jù)庫；采用泵綜合特性繪制Visual Fortran程序?qū)Ρ媚芰啃阅軘?shù)據(jù)進(jìn)行處理繪制泵的綜合特性曲線，并輸出CFD數(shù)值計(jì)算的 可調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)任意數(shù)量的泵性能數(shù)據(jù)；以泵的效率和泵的揚(yáng)程為因變量，以可調(diào)導(dǎo)葉 的安放角和泵的流量為自變量采用多元非線性回歸分析方法分別構(gòu)建通過2個(gè)自變量預(yù) 測因變量的方法；具體包括以下步驟：
[0005] 1)基于CFD數(shù)值計(jì)算構(gòu)建不同可調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)泵的能量性能數(shù)據(jù)庫；
[0006] 采用CFD數(shù)值計(jì)算程序，對(duì)配不同可調(diào)導(dǎo)葉安放角的泵進(jìn)行8~10個(gè)工況點(diǎn)的能 量性能的三維定常數(shù)值計(jì)算，基于CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分別求出泵的揚(yáng)程、效率；
[0007] 泵的揚(yáng)程H的計(jì)算式：
[0008]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于CFD的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的方法，其特征是，基于泵的CFD數(shù)值計(jì) 算構(gòu)建泵的能量性能數(shù)據(jù)庫；采用泵綜合特性繪制Visual Fortran程序?qū)Ρ媚芰啃阅軘?shù) 據(jù)進(jìn)行處理繪制泵的綜合特性曲線，并輸出CFD數(shù)值計(jì)算的可調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)任意數(shù)量的 泵性能數(shù)據(jù)；以泵的效率和泵的揚(yáng)程為因變量，以可調(diào)導(dǎo)葉的安放角和泵的流量為自變量 采用多元非線性回歸分析方法分別構(gòu)建通過2個(gè)自變量預(yù)測因變量的方法；具體包括以下 步驟： 1) 基于CFD數(shù)值計(jì)算構(gòu)建不同可調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)泵的能量性能數(shù)據(jù)庫； 采用CFD數(shù)值計(jì)算程序，對(duì)配不同可調(diào)導(dǎo)葉安放角的泵進(jìn)行8~10個(gè)工況點(diǎn)的能量性 能的三維定常數(shù)值計(jì)算，基于CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分別求出泵的揚(yáng)程、效率； 泵的揚(yáng)程H的計(jì)算式：
式⑴中：PS為斷面各節(jié)點(diǎn)的靜壓值；Z為斷面幾何中心的位能；V為斷面各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn) 的絕對(duì)速度；N為斷面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)總和；下表outlet表示出口斷面；下表in表示進(jìn)口斷 面； 泵的效率η的計(jì)算式：
式（2)中：&為轉(zhuǎn)軸方向的單位向量；Λ AiS壓力面或吸力面上第i單元的面積；H為 Λ AiI的單位向量；F為向徑；f為不含靜壓力P的應(yīng)力張量；Q為泵裝置流量；η為葉輪轉(zhuǎn) 速。 2) 基于Visual Fortran程序繪制不同可調(diào)導(dǎo)葉時(shí)泵的綜合特性曲線，并輸出CFD數(shù)值 計(jì)算的可調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)任意數(shù)量的泵能量性能數(shù)據(jù)； 為繪制不同可調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)泵的能量性能綜合特性曲線，規(guī)定：可調(diào)導(dǎo)葉出口水流 方向與轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，可調(diào)導(dǎo)葉安放角為正，反之為負(fù)；采用Visual Fortran程序 對(duì)步驟1建立的泵能量性能數(shù)據(jù)庫進(jìn)行自動(dòng)處理繪制出泵的能量性能綜合特性曲線，即泵 的揚(yáng)程、流量和效率3者的復(fù)雜關(guān)系曲線，并采用內(nèi)插值的方法給出CFD數(shù)值計(jì)算的不同可 調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)任意數(shù)量的泵能量性能數(shù)據(jù)，為最終提出可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的數(shù) 學(xué)模型奠定足夠的泵能量性能樣本數(shù)據(jù)； 3) 構(gòu)建可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的數(shù)學(xué)模型； 采用多元非線性回歸分析方法（Multiple Non-liner Regression)構(gòu)造可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵 能量性能預(yù)測的數(shù)學(xué)模型，該數(shù)學(xué)模型一種快捷方法； 采用Gauss-Newton算法對(duì)非線性回歸方程系數(shù)進(jìn)行求解；將可調(diào)導(dǎo)葉安放角Θ記為 X1，流量Q記為X2，揚(yáng)程H記為Y1，可得非線性回歸方程1;將進(jìn)口導(dǎo)葉片安放角Θ記為X 1, 流量H記為X2，泵效率Tl記為y2，可得非線性回歸方程2,回歸預(yù)測模型的準(zhǔn)確度可通過數(shù) 學(xué)模型的判定系數(shù)馬進(jìn)行評(píng)判（判定系數(shù)R 2需大于0. 98)，若判定系數(shù)R 2不滿足要求，則 需回到步驟2,重新輸出更多的泵性能數(shù)據(jù)樣本； 建立的2元3次非線性回歸預(yù)測數(shù)學(xué)模型的通用表達(dá)式如下： V = a + bx{ + cx., + dxf + ex； + JxlX2 + + hx\ + ix{x^ + /X12X., 式中：a" V Cl、屯、ei、f\、gl、V J1為回歸方程的常數(shù)及系數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于CFD的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的方法，其特征 是，所述Visual Fortran程序包括如下流程： 步驟1、輸入泵的流量、揚(yáng)程和效率的組數(shù)； 步驟2、分別依次輸入流量、揚(yáng)程、效率坐標(biāo)的間隔值； 步驟3、分別依次輸入流量起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)、揚(yáng)程的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)、效率的起點(diǎn)和終 點(diǎn)坐標(biāo)（提示：插值最好為公約數(shù)的倍數(shù)）； 步驟4、輸入劃分區(qū)間數(shù)（提示：區(qū)間數(shù)越大曲線擬合越接近）； 步驟5、采用中點(diǎn)分割和拐點(diǎn)分割相混合的Bezier曲線降階方法分別繪制流量-揚(yáng)程 曲線，流量-效率曲線； 步驟6、在擬合的流量-揚(yáng)程線上采用插值法尋找效率值相等的點(diǎn)，并采用Bezier曲線 降階方法對(duì)效率值相等的點(diǎn)進(jìn)行連接擬合，最終獲得泵的綜合特性曲線。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于CFD（Computational fluid dynamics）的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的方法，屬于水利工程和機(jī)械工程技術(shù)領(lǐng)域。一種基于CFD的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的方法，其特征是：具體包括以下步驟：步驟1、基于CFD數(shù)值計(jì)算構(gòu)建不同可調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)泵的能量性能數(shù)據(jù)庫；步驟2、基于Visual Fortran程序繪制不同可調(diào)導(dǎo)葉時(shí)泵的綜合特性曲線并輸出CFD數(shù)值計(jì)算的可調(diào)導(dǎo)葉安放角時(shí)任意數(shù)量的泵能量性能數(shù)據(jù)；步驟3、構(gòu)建可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的數(shù)學(xué)模型；通過本發(fā)明，提供了一種簡便可靠的基于CFD的可調(diào)導(dǎo)葉對(duì)泵能量性能預(yù)測的方法。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號(hào)】CN104636542
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410852277
【發(fā)明人】楊帆, 劉超, 周濟(jì)人, 王芃也, 邵正杰
【申請(qǐng)人】揚(yáng)州大學(xué)
【公開日】2015年5月20日
【申請(qǐng)日】2014年12月31日