[发明专利]一种反击式转轮最高效率数值计算方法和系统

说明书

本发明公开了一种反击式转轮最高效率数值计算方法和系统。步骤包括：数据输入；坐标变换；过水断面形成线构建；轴面速度计算；轴面流线计算；S1、S2流面构建；空间相对流线构建及分割；空间相对水流角计算；空间相对流线上各点轴面速度计算；叶片排挤系数1/k计算；欧拉能量数值求解；最高效率数值求解；CFD数值模拟结果验证；判断精度；将计算结果输入到Excel表格进行显示和存储；计算结束。所述系统用于实现对应功能。该数值计算方法和对应的系统提高了计算过程精简性和快速性；采用模块化设计思路，各子模块既可独立运行又相互之间紧密联系，计算流程清晰；适用于工作在非压缩流体中的反击式叶轮旋转机械，具有广泛应用对象，涉及众多行业领域。

技术领域

本发明涉及反击式旋转机械工作特性数值计算领域，尤其涉及一种反击式转轮最高效率和最优水力特性的快速计算方法。

背景技术

水力发电要充分保证效益性和安全性则需要对能量转换的核心元件—转轮的工作性能有较高要求，最优工况下转轮的最大出力和最高效率是反映转轮性能的重要指标。我国，始于上世纪70年代对转轮性能的试验研究和始于90年代的基于有限元软件的数值模拟研究经过多年发展日趋成熟，但由于与这两种研究方法相关的辅助设备未能得到充分发展，导致的高成本投入、长时间耗资，比如模型试验的长周期、数值模拟的高计算性能要求等，已成为新建水力发电项目初期阶段不可忽视的成本投入。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种反击式转轮最高效率数值计算方法和系统，缩短研发周期，降低成本。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提出一种反击式转轮最高效率数值计算方法，进一步地：步骤包括：

S001、数据输入：读取反击式转轮的设计参数和木模图参数；

S002、坐标变换：将直角坐标系(x,y,z)内的空间叶片投影到Z-r/Y平面上，遵循以下旋转投影公式：

r_i²＝x_i²+y_i²，z_i＝z_i

将直角坐标系内坐标(x,y,z)变换到S1流面坐标系内坐标(m,θ)，m为S1流面的母线，θ为S1流面圆周方位角，坐标变换并无量纲化处理遵循以下公式：

式中：x₀，y₀为流线起始端点坐标分量；

S003、过水断面形成线构建：在反击式转轮轴面流道内作内切于上冠和下环流线的公切圆，圆心为O，切点为A和B，连接OA、OB和AB，作通过A、B并分别与OA、OB相切的圆弧即为过水断面形成线；

S004、轴面速度计算：求得过水断面形成线形成过水断面时的旋转半径，进一步求得对应的过水断面面积和轴面速度；针对多条过水断面形成线，求得轴面速度在轴面流道中的离散分布；所述过水断面是由过水断面形成线绕转轮转轴旋转一周形成的回转面；

S005、轴面流线计算：读取一条流线对应圆弧的圆心坐标、半径、所述圆弧两端点坐标；列出弧上任意一点的非线性方程组；求得弧上该点坐标；针对多条过水断面形成线，求得一条流线上的多个离散点，顺水流方向用样条曲线依次连接离散点，得到所述轴面流线；

S006、S1流面构建：将上一步求得的流线绕转轮旋转轴旋转一周，得到对应的S1流面；

S007、S2流面构建：将木模图参数导入三维建模软件Ansys-Gambit，建立由叶片各截面骨线形成的叶片空间骨面，所述骨面是两相邻叶片之间的一个平均流面，即S2流面；