一种水轮机水力效率计算方法

1.本发明涉及一种水轮机水力效率计算方法，属于水力机械及其系统技术领域。


背景技术：

2.水力发电是利用水轮机将流体动能转换为机械能进而再转换为电能的一种水能利用发电装置，因其能量转换效率高、可再生、环境友好等优点，在水能的开发与利用中得到广泛应用。由于能量转换过程中必然存在不可逆的能量损失，而传统水力效率计算无法准确考虑流体粘性耗散功的影响，同时基于模型试验换算的能量综合特性曲线也不能准确反映原型水轮机能量获取特性，导致原型水轮机在偏离设计工况时实际输出功率和效率计算偏差较大，影响电力系统的动态平衡。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题是提供了一种新的水轮机水力效率计算方法，以弥补准确量化水轮机水力效率计算的技术空白。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种水轮机水力效率计算方法，具体步骤如下：
5.step1、确定包括水轮机在内的三维流场计算区域，即控制体；
6.step2、执行流体动力学计算，获得控制体的三维稳态流场分布；
7.step3、计算控制体内流体的粘性耗散功率es；
8.step4、计算控制体动能变化率ek；
9.step5、计算外界表面力对控制体所做的功率e
p
；
10.step6、计算流体体积力所做的功率ez；
11.step7、计算水轮机水力效率η。
12.具体地，step1中，控制体指由固定壁面、流动进出口、转轮表面围成的封闭流体区域，控制体与外界接触的面包括固定壁面、流动进出口、转轮旋转表面。
13.具体地，step2中，控制体内流体为不可压缩流体，执行流体动力学计算，获得控制体内平均流场的应变率张量s、湍流有效粘性系数μ
eff
和压力场p。
14.具体地，step3中，控制体内流体的粘性耗散功率es采用下式(1)计算
[0015][0016]
式中代表水轮机质量流量，v代表控制体。
[0017]
具体地，step4中，控制体动能变化率ek采用下式(2)计算
[0018][0019]
式中v1和v2分别为控制体进口和出口断面的平均速度。
[0020]
具体地，step5中，外界表面力对控制体所做的功率e
p
采用下式(3)计算
[0021][0022]
此处，p1和p2分别为控制体进口和出口边界面的平均静压力，ρ为流体密度。
[0023]
具体地，step6中，流体体积力所做的功率ez采用下式(4)计算
[0024][0025]
此处，z1和z2分别为控制体进口和出口断面中心点的高程，g为当地重力加速度。
[0026]
具体地，step7中，水轮机水力效率η按式(5)计算
[0027][0028]
本发明的有益效果是：
[0029]
1、本发明提出一种水轮机水力效率计算方法，可精确量化原型水轮机不同运行工况下的粘性耗散功。
[0030]
2、本发明提出一种水轮机水力效率计算方法，可通过数值计算水轮机的内部流场，进而根据能量守恒和粘性耗散功，实现原型水轮机水力效率的准确预测。
[0031]
3、本发明提出一种水轮机水力效率计算方法，也可实现任意瞬变过程原型水轮机轴功率的准确预测，为机组动态调节提供有益的参考。
[0032]
4、本发明使用的计算流程物理概念清晰，计算过程简单，结果准确，便于掌握原型水轮机稳态运行工况和任意瞬变过程的机组综合能量特性。
附图说明
[0033]
图1为本发明中的流程图；
[0034]
图2为本发明中控制体的示意图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步的说明。
[0036]
实施例1：如图1-2所示，一种水轮机水力效率计算方法，具体步骤如下：
[0037]
如图2所示，图2为某混流式水轮机示意图，包括固定壁面、流动进出口、转轮表面以及由它们围成的封闭流体区域，即控制体。在固定壁面和转轮表面施加无滑移边界条件，在进口施加总压和速度边界条件，出口施加静压边界条件，采用水作为流动介质，在计算时认为流体不可压缩且与外界绝热。利用雷诺时均模型中的剪应力输运模型执行流场计算。
[0038]
step1、确定控制体，如图2所示；
[0039]
step2、执行流体动力学计算，获得控制体的三维稳态流场分布；
[0040]
step3、计算控制体内流体的粘性耗散功率es；
[0041]
step4、计算控制体动能变化率ek；
[0042]
step5、计算外界表面力对控制体所做的功率e
p
；
[0043]
step6、计算流体体积力所做的功率ez；
[0044]
step7、计算水轮机水力效率η。
[0045]
进一步地，step1中，控制体指由固定壁面、流动进出口、转轮表面围成的封闭流体
区域。
[0046]
进一步地，step2中，控制体内流体假设为不可压缩流体，执行流体动力学计算，获得控制体内平均流场的应变率张量s、湍流有效粘性系数μ
eff
和压力场p。
[0047]
进一步地，step3中，控制体内流体的粘性耗散功率es采用下式(1)计算
[0048][0049]
式中代表水轮机质量流量，v代表控制体。
[0050]
进一步地，step4中，控制体动能变化率ek采用下式(2)计算
[0051][0052]
式中v1和v2分别为控制体进口和出口断面的平均速度。
[0053]
进一步地，step5中，外界表面力对控制体所做的功率e
p
采用下式(3)计算
[0054][0055]
此处，p1和p2分别为控制体进口和出口边界面的平均静压力，ρ为流体密度。
[0056]
进一步地，step6中，流体体积力所做的功率ez采用下式(4)计算
[0057][0058]
此处，z1和z2分别为控制体进口和出口断面中心点的高程，g为当地重力加速度。
[0059]
进一步地，step7中，水轮机水力效率η按式(5)计算
[0060][0061]
本实施例中，在水机机设计水头(10米)和最优效率点工况，计算得到水轮机的轴功率为51.695kw，水轮机的效率为0.9399。
[0062]
上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式或工况，对于类似的水力机械，如水泵等都可以采取该种方法计算水力效率。同时在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

技术特征：
1.一种水轮机水力效率计算方法，其特征在于：具体步骤如下：step1、确定包括水轮机在内的三维流场计算区域，即控制体；step2、执行流体动力学计算，获得控制体的三维稳态流场分布；step3、计算控制体内流体的粘性耗散功率e
s
；step4、计算控制体动能变化率e
k
；step5、计算外界表面力对控制体所做的功率e
p
；step6、计算流体体积力所做的功率e
z
；step7、计算水轮机水力效率η。2.根据权利要求1所述的一种水轮机水力效率计算方法，其特征在于：所述step1中，控制体指由固定壁面、流动进出口、转轮旋转表面围成的封闭流体区域，控制体与外界接触的面包括固定壁面、流动进出口、转轮表面。3.根据权利要求1所述的一种水轮机轴功率和水力效率计算新方法，其特征在于：所述step2中，控制体内流体为不可压缩流体，执行流体动力学计算，获得控制体内平均流场的应变率张量s、湍流有效粘性系数μ
eff
和压力场p。4.根据权利要求3所述的一种水轮机水力效率计算方法，其特征在于：所述step3中，控制体内流体的粘性耗散功率e
s
采用下式(1)计算式中代表水轮机质量流量，v代表控制体。5.根据权利要求1所述的一种水轮机水力效率计算方法，其特征在于：所述step4中，控制体动能变化率e
k
采用下式(2)计算式中代表水轮机质量流量，v1和v2分别为控制体进口和出口断面的平均速度。6.根据权利要求1所述的一种水轮机水力效率计算方法，其特征在于：所述step5中，外界表面力对控制体所做的功率e
p
采用下式(3)计算此处，代表水轮机质量流量，p1和p2分别为控制体进口和出口边界面的平均静压力，ρ为流体密度。7.根据权利要求1所述的一种水轮机水力效率计算方法，其特征在于：所述step6中，流体体积力所做的功率e
z
采用下式(4)计算此处，代表水轮机质量流量，z1和z2分别为控制体进口和出口断面中心点的高程，g为当地重力加速度。8.根据权利要求1所述的一种水轮机水力效率计算方法，其特征在于：所述step7中，水轮机水力效率η按式(5)计算

技术总结
本发明涉及一种水轮机水力效率计算方法，属于水力机械及其系统技术领域。本发明包括步骤：A、确定包括水轮机在内的三维流场区域，即控制体；B、执行流体动力学计算，获得各区域的三维稳态流场分布；C、计算控制体内流体的粘性耗散功率；D、计算控制体动能变化率；E、计算外界表面力对控制体所做的功率；F、计算控制体流体体积力所做的功率；G、计算水轮机水力效率。本发明提出一种新的量化水轮机水力效率的计算方法，具有普适性。具有普适性。具有普适性。


技术研发人员：王文全 王秀 闫妍 张昌兵 裴俊先
受保护的技术使用者：四川大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/10/5