[发明专利]一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法。首先进行三维建模和网格划分；然后利用用户自定义函数添加水体可压缩性状态方程和控制水泵水轮机机组中活动导叶关闭的函数，采用瞬态求解器对全流道中的流体进行计算；最后，利用后处理软件对计算结果进行处理。本发明在考虑水体压缩性以及活动导叶关闭规律的基础上，对整个抽水蓄能电站过流系统进行三维建模，包括进出水口、输水管道和水泵水轮机机组过流部分，利用三维全流道仿真模型准确、直观地再现了抽水蓄能电站水泵水轮机机组过渡过程中内部流场的瞬态变化，从而为抽水蓄能电站进一步研究提供可靠依据。

技术领域

本发明涉及抽水蓄能电站过流系统中，过渡过程三维模拟方法，即一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，属于抽水蓄能电站水力学数值模拟技术领域。

背景技术

在实际并网发电过程中，抽水蓄能电站作为重要的调峰填谷手段，会在一天之内经历几次甚至十几次的抽水-发电工况的转换，其中发电工况（水轮机工况）过渡过程中，由于流态瞬时变化，流速、压力迅速升高等原因，是一个极度危险的过程，也是评估工程安全是必须要着重分析的部分。然而，现在发展的比较完善的一套模拟方法是将水泵水轮机机组段作为主要研究对象，对其进行三维建模，而机组上下游的流道作为次要研究对象而仅对其进行一维建模或其他简单计算，再将计算结果作为机组段的边界条件。这种做法虽然可以在减少计算量的同时在一定程度上保证计算结果的可靠性，但是仅只适用于模拟水泵水轮机机组稳态工况下的各项参数，但对于水泵水轮机机组的过渡过程计算，由于流态非常复杂且变化剧烈，此时机组上下游流道的一维计算结果已不能再作为机组段三维模拟的边界条件。若仍采用简化后的结果作为边界条件，必然使计算结果产生严重失真。此外，在机组段的三维模拟中，认为水体是不可压缩的，这在稳定工况下是可行的；但是在过渡过程中，因流道流速急剧变化，水体压力剧烈波动。此时，若仍将水体作为刚性水体考虑，必将使计算所得的脉动压力远超实际值。

因此，针对抽水蓄能电站过渡过程，建立电站全流道模拟，并考虑水体压缩性，以更准确地模拟过渡过程中水体局部流场变化，研究其动态特性是十分必要的。

发明内容

发明目的是针对现有技术在模拟抽水蓄能电站过渡过程中存在的不足，基于水锤效应和动网格理论，提出了一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，从而对抽水蓄能电站全部过流部件均加以考量，并考虑水体压缩性，提高过渡过程模拟的准确性。

本发明的技术方案是：一种基于水锤效应和动网格理论的抽水蓄能电站过渡过程三维模拟方法，具体实现步骤如下：

步骤1：构建抽水蓄能电站全流道三维数学模型。

步骤2：根据工程实例，建立全流道三维模型，并进行网格划分。

步骤3：根据工程实例，设置初始条件和边界条件。

步骤4：求解控制方程，对监测点和监测面进行速度、压力监控。

步骤5：利用后处理软件Tecplot 360实现过渡过程中全流道速度场、压力场的可视化。

作为优选，所述步骤1中，可压缩瞬变流动采用引入可压缩源项的液体模型来描述，在求解连续性方程、动量方程和能量方程的基础上耦合湍流模型，使整个求解系统封闭。

作为进一步地优选，引入表征水体密度随压力变化的水体可压状态方程，以及压力波在水中的传播速度（即水锤波速），来描述水体压缩性。引入的水体可压状态方程为：

其中，和K为分别绝对压力p^*下的液体密度及体积模量，ρ₀为液体绝对参考压力p₀^*下的密度，Δp^*=p^*-p₀^*为压力差。