[发明专利]一种反击式转轮最高效率数值计算方法和系统

摘要

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。

主权项

1.一种反击式转轮最高效率数值计算方法，其特征在于：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，且遵循以下旋转投影公式：ri2＝xi2+yi2，zi＝zi其中，点(xi，yi，zi)为所述直角坐标系内的点，点(ri，zi)为所述Z‑r/Y平面上点(xi，yi，zi)的对应点；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所述离散点，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；S008、空间相对流线构建及分割：所述空间相对流线为S1流面与S2流面的交线；将该空间流线等分成n份，输出等分节点及端点直角坐标值，共n+1个点，并利用步骤S002转换到S1流面坐标系中；S009、空间相对水流角计算：即对步骤S008中每一条空间相对流线上n+1个点处的相对水流角进行计算，对各点处流线切线与水平线的夹角进行组合插值，得到空间相对流线上各点处的空间相对水流角βi；S010、空间相对流线上各点轴面速度计算：线性插值轴面流线上离散分布的轴面速度，得到空间相对流线上各等分节点的轴面速度；S011、叶片排挤系数1/k计算：根据步骤S001读取的木模图参数，以其中的内切圆圆心坐标和直径数据作为插值参考点，对步骤S008中每一条空间相对流线上n+1个节点处叶片在圆周方向的厚度ti进行高维线性插值计算；叶片排挤系数的计算通过下式求得：式中，表示节点i处叶片排挤系数；N表示转轮叶片个数；S012、欧拉能量数值求解：EEui＝Ui·VUi＝riω·(riω‑WUi)＝riω·(riω‑kiVmicotβi)式中，EEui表示节点i处欧拉能量，单位是m2/s2；Ui表示节点i处圆周速度，单位是m/s；VUi表示节点i处绝对速度圆周分量，单位是m/s；ω表示转轮旋转角速度，单位是rad/s；WUi表示节点i处相对速度圆周分量，单位是m/s；Vmi表示节点i处轴面速度，单位是m/s；S013、最高效率数值求解：基于水轮机基本能量方程：式中，γ表示流体比重，单位是N/m3；H表示转轮进出口净水头，单位是m；ηr表示转轮效率；Q表示流量，单位是m3/s；S014、CFD数值模拟结果验证：利用软件CFX在相同工况下进行数值模拟；通过数值模拟得到转轮中流体流动特性以及转轮转轴上的扭矩，根据以下方程求得转轮相应效率：Mω＝γQHηr式中：M表示转轮转轴扭矩，单位是N·m；S015、判断精度：对步骤S013和S014所得的转轮效率求解相对误差，若相对误差超出判定标准值，则返回步骤S008，增加空间相对流线上分割节点数，依次执行步骤S008～S015；若相对误差小于判定标准值，则执行步骤S016；S016、将计算结果输入到Excel表格进行显示和存储，计算结束。