混流式水轮机特性曲线在多重边界条件下的分区方法

完整的水轮机特性曲线是水电站运行仿真和过渡过程计算的基础,然而厂家提供的水轮机模型综合特性曲线仅反映了水轮机高效率区域的特性,不能满足水轮机动态过程仿真需求。该研究提出了一种扩展方法:首先以零转速、零流量、飞逸曲线、零开度线、单位力矩交点为边界条件,作为划分特性曲线区域与约束各分区延拓范围的特征点,并依据内特性模型和外特性数据辨识水轮机结构参数,计算边界条件;然后针对不同区域的特点,提出不同拟合方法得到各区的特性曲线;最后对分区界线两侧拟合结果进行平滑连接,形成完整的可用于仿真分析的混流式水轮机特性曲线。对某水轮机进行实例分析,与典型外特性法和内特性法的对比表明,本文方法既保证了外特性试验数据处的拟合精度,又能反映水轮机的水力特性;与典型外特性法进行过渡过程实测反演对比可知,本文所提方法将最大蜗壳压力的相对误差从2.03%降至1.69%,小开度工况下区域平均蜗壳压力的相对误差从3.48%降至1.47%,动态过程时域响应更接近实测结果。本文特性曲线处理方法有利于提高过渡过程计算精度,也可为类似叶片式农业机械的设计及特性曲线处理提供参考。     

基于实测甩负荷的水轮机力矩特性曲线拟合

水电站过渡过程计算中,水轮机特性曲线对计算结果有着十分重要的影响。由于水轮机模型试验得到的综合特性曲线仅包含了水轮机工作的相对高效率区、导叶大开度下水轮机特性,无法满足甩负荷过渡过程计算的要求,需要对特性曲线进行拓展得到水轮机在导叶小开度区、低效率区及制动工况区的特性。目前对于水轮机特性曲线的处理主要根据经验和数学方法对力矩特性进行拓展和拟合,其仿真结果与实测结果存在较大的差异,无法满足对甩负荷过渡过程精确仿真的要求。虽然通过内特性或CFD的方法能够增加水轮机特性的仿真精度,但是需要能够获得详细及准确的水轮机结构及尺寸参数,实际情况中这些参数往往无法准确获取,不利于工程应用。该文基于真机甩负荷实测结果对水轮机力矩特性曲线的拟合进行了研究,通过甩负荷实测数据得到导叶零开度线下的水轮机力矩特性,结合最小二乘法对整个力矩特性曲线进行拓展和拟合。将利用该处理方法得到的水轮机力矩特性曲线与传统处理方法得到的结果进行对比,结果表明,在导叶大开度、高效率区及水轮机正常运行范围内2种特性曲线基本重合,而在导叶小开度下2种特性曲线存在较大的差异,原因在于本文中零导叶开度线上的力矩特性通过甩负荷实测结果得出其更加精确,零导叶开度线力矩特性的差异导致了特性曲线拟合中边界条件的不同。利用本文处理方法得到的特性曲线对不同调速器参数下的甩负荷过渡过程进行了计算,并分析了调速器参数对甩负荷过渡过程的影响,计算结果表明,调速器参数对甩负荷中导叶开度的快关过程和机组转速的上升下降过程无影响,其主要影响机组转速接近稳态后的调节过程,调速器参数设置不当会造成调节系统的调节品质变差,甚至会导致水轮机调节过程失稳。分别采用2种特性曲线对水电机组甩负荷过渡过程进行仿真,并将仿真结果与实测结果进行对比,结果表明,相比传统处理方法得到的特性曲线,本文处理方法得到的特性曲线能更准确反映机组在导叶小开度下的力矩特性,机组频率仿真结果中,传统特性曲线计算结果与实测结果最大偏差达到了15.74%,本文特性曲线计算结果与实测结果最大偏差为1.05%;导叶开度仿真结果中,传统特性曲线计算结果与实测结果最大偏差为36.07%,本文特性曲线计算结果与实测结果最大偏差为9.74%。通过对比可以看出,本文所提出的特性曲线拟合方法可大大提高甩负荷过渡过程计算精度,能够有效指导水电机组的安全运行。     

贯流式水轮机飞逸过渡过程瞬态特性CFX二次开发模拟

当水轮发电机组处于飞逸状态时,水轮机内部会出现严重的不稳定现象,容易引起机组的振动。贯流式水轮机因为水头低、流量大、通道短等特点,其过渡过程与常规的立式水轮机有许多不同之处。基于此,该文通过CFX16.0和Fortran程序的二次开发建立了水轮机飞逸过程的数值计算方法,对贯流式水轮机的飞逸过程进行了数值模拟,获得了转速、流量、力矩、轴向力等外特性参数在飞逸过程中的变化历程以及水轮机内部流场的动态特性。结果表明:计算得到的最大飞逸转速为2 190 r/min与试验测得的结果较为接近,误差不超过2.5%,验证了该数值方法的可靠性;飞逸过程中其余外特性参数的变化规律均符合高比转速水轮机飞逸过程的流动规律;在飞逸过程中,由于转速和流量的增加使得水轮机转轮进口相对液流角降低,水流在叶片吸力面进水侧靠近叶缘处发生撞击形成高压,在叶片压力面进水侧叶缘处出现脱流产生负压,并随着转速的升高,高压区和低压区逐渐增大,转轮叶片受力变得极为不均匀容易引起疲劳破坏;同时,转速的增加使得转轮出口环量增加,在尾水管内部将会形成偏心的螺旋涡带,引起了强烈的低频压力脉动,振幅最大可达到试验水头的104%,不利于机组的安全稳定运行。     

混流式水轮机的三维湍流流场分析与性能预测

用数值方法研究混流式水轮机各通流元件内部流场是优化其设计的重要手段。该文基于Navier-Stokes方程和k-ε紊流模型,采用贴体坐标和交错网格系统,用SIMPLEC算法对一模型混流式水轮机引水元件、转轮和尾水管进行了联合计算与转轮单流道计算,数值模拟了水轮机各通流元件内部三维湍流流场,预测了水轮机的能量性能和空化性能,并与水轮机模型试验结果进行了对比。该文的水轮机计算效率与实测效率非常接近,各工况最大相对误差为0.9%;计算的初生空化系数与实测临界空化系数之比为1.57～1.99,符合实际。研究结果表明,该文提出的多部件联合计算与转轮单流道计算相结合的方法,可节省计算资源且精度较高,并具有良好的工程适用性。     

拖拉机液压传动系统特性模型修正与参数辨识

精准描述无级变速系统特性是拖拉机动力装置设计和控制策略制定的前提,是节能减排和动力提高的关键。为解决拖拉机常用无级变速系统特性随工况变化而导致原理论模型精度受限问题,该研究对受工况影响最为显著的液压传动系统的调速和效率特性进行研究。采用台架试验获取液压传动系统特性的样本数据,基于偏最小二乘法对比不同工况对调速和效率特性的影响,结合原理论模型和改进的模拟退火算法,提出液压传动系统特性的模型修正及其参数辨识方法,并分别建立调速特性和效率特性的改进半经验模型。结果表明,输入转速和输出端负载转矩对调速特性的影响程度分别为0.36和0.92;输入转速、输出端负载转矩和排量比对效率特性的影响程度分别为0.05、0.71和0.26;修正后模型参数较少,辨识容易,且精度高,估测值与实际值基本吻合（2参数调速特性半经验模型的决定系数R2为0.97、平均绝对百分比误差为7.93%,5参数效率特性半经验模型的决定系数R2为0.93、平均绝对百分比误差为2.50%）。研究以期为拖拉机等农业机械的动力传动装置的特性分析与评估、优化设计和控制策略制定提供依据和参考。     

籽棉压缩与应力松弛力学特性及模型构建

为深入研究籽棉压缩及应力松弛过程的力学特性并构建其本构模型,该研究以籽棉为研究对象开展试验,分别利用改进西原模型和五元件广义Maxwell模型对压缩和应力松弛的应力应变曲线进行描述.通过定义的本构模型对不同含水率及喂入量的籽棉力学特性试验数据结果进行参数辨识,得到相关模型参数,并探究不同因素对压缩及松弛过程应力的影响规...     

温室环境温度预测自适应机理模型参数在线识别方法

温室小气候模型具有非线性、强干扰、时变等特性,常用的线性化模型或离线辨识模型无法有效预测温室环境动态变化规律,模型精度不高直接影响温室环境控制性能。针对模型的这种复杂特性,该文以温度模型为例,提出利用连续-离散递推预测误差算法,对非线性模型参数和状态进行在线估计,以提高模型精度。首先,考虑加热和通风2种控制输入,建立了温室温度模型。然后,论述了该算法的原理和优势,算法通过引入并调整增益矩阵,对系统噪声进行在线更新,减少了系统噪声初始化偏差对参数估计收敛性的影响。最后,基于试验温室实测数据,对温室温度模型进行了在线辨识仿真,结果表明,利用连续-离散递推预测误差算法辨识模型拟合度为93.7%,扩展卡尔曼滤波器拟合度为89.5%,该文提出的算法在预测温室温度方面更为有效。     

采用熵产理论的离心泵断电过渡过程特性

该文对商业软件ANSYS CFX进行二次开发,通过自定义函数求解角动量方程获取实时转速,建立了模拟离心泵事故断电过渡过程的三维瞬态数值计算方法,获得了离心泵外特性参数瞬变规律以及内部流场的动态特性。进一步采用熵产理论获得了离心泵事故断电停机飞逸过程中过流部件流场能量损失分布情况,并对流场内随时间变化的能量损失进行定量评估。结果表明:在整个事故断电飞逸过程中,熵产与离心泵外特性之间存在着明显的相关性,能量损失的产生与流场内部的流动分离、回流、漩涡等不良流动现象相关;叶轮、导叶与引水管的主要损失均是由湍流耗散引起的,其壁面熵产占总熵产的10%～15%左右,不可以忽略,而蜗壳区的损失则主要是由近壁面处的强壁面效应引起的;通过分析各部件流场局部熵产率分布随时间的变化情况,可以得出在制动工况中内流场的高损失区域最大。     

水轮机调速器功率调节模式下负荷调节过渡过程稳定性研究

作为电力系统中调峰调频的骨干电源,水电机组负荷调节过渡过程稳定性对电网安全运行及源网协调意义重大。该文采用理论分析及数值仿真的方法对水轮机调速器功率模式下负荷调节过渡过程的稳定性进行了深入分析,得出了以调速器参数为变量的机组运行稳定域,并推导出满足稳定性的判别式。分析了水流惯性、接力器响应特性以及水轮机特性对稳定域的影响,得出水流惯性不利于系统的稳定,而接力器响应特性对系统稳定性有利,及水轮机特性最不利工况为水轮机综合特性系数与水轮机传递系数ey乘积值最大处。该文的研究成果能够准确地找到负荷调节稳定性的最不利工况,有效的指导水轮机调速器功率模式下参数整定,保障水电机组的稳定运行。     

面向夹持采收的油菜薹夹段茎秆离散元参数标定与优化

为提高离散元法对指导油菜薹有序采收装备设计与优化的准确性和可靠性,该研究以双行垄作移栽的“农大1号”双低甘蓝型油菜机械化适收期油菜薹夹段茎秆为对象,测定其本征参数、表面接触参数以及破碎力学参数,利用EDEM仿真软件Hertz-Mindlin无滑移模型和Hertz-Mindlin with bonding粘结模型建立夹段茎秆堆积仿真标定模型和破碎仿真标定模型。采用逐步调整仿真参数使仿真试验值与物理试验值逼近的方法,利用夹段茎秆堆积仿真标定模型,以休止角仿真试验值与实际物理试验值的相对误差为目标,完成夹段茎秆表面接触参数的标定与优化;利用破碎仿真标定模型,以轴向压缩和弯曲仿真试验与实际物理试验的最大轴向压缩力和最大弯曲力的相对误差为目标,利用标定后的表面接触参数完成夹段茎秆粘结参数的标定与优化。最后,利用夹段茎秆的径向压缩与剪切、内芯与表皮拉伸的破碎仿真力学试验和有序采收EDEM-Recurdyn耦合仿真试验验证标定后的表面接触参数和粘结参数。结果表明,仿真与实测试验的破碎力学参数相对误差在5% 以内,且仿真与实测的“时间-载荷”曲线变化趋势一致,低速、中速和高速档的有序采收仿真试验结果与实际物理试验结果相对误差在7.0% 以内。研究结果表明,采用离散元仿真方法研究油菜薹采收过程具有可行性,标定结果可用于指导油菜薹机械化生产。     

基于准稳态假设的混流泵启动特性分析

为了研究混流泵启动过程的准稳态性能,该文以瞬态外特性试验性能参数为依据,获得了混流泵准稳态计算的外特性曲线和无量纲扬程瞬态性能曲线,通过对3种转速下的压力场、速度矢量分析,总结出准稳态计算混流泵内部流动的一般性规律并与粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)测量的瞬态内部流场进行对比。研究发现,准稳态计算扬程呈现直线上升趋势,并随着体积流量的增大逐步偏离试验扬程;3种转速下泵内压力具有相同的分布趋势,叶轮进口截面相对速度矢量近似满足相似定律,并在低转速下出现大尺度的叶顶泄漏涡。与无量纲瞬态性能一致,瞬态PIV测量结果呈现出明显不同于准稳态工况的瞬态效应:在0.75 s时准稳态计算中叶顶泄漏明显,在外缘形成泄漏涡和进口边回流,而瞬态PIV测量中端壁区边界层正从层流向湍流发展;在1.07 s时准稳态计算中叶轮进口速度分布较为均匀,而瞬态PIV测量中流体在惯性力作用下呈现从轮毂向轮缘运动的趋势,卷吸效应较为明显;在1.35 s时准稳态计算结果与1.07 s时的速度场分布较为相似,而瞬态PIV测量中加速的卷吸效应更为显著,外缘高速流动区域随着转速的增加不断增大。该研究可为考证准稳态假设方法的准确度和揭示混流泵启动过程瞬态内部流动特性提供参考。     

转轮下环间隙对混流式水轮机内部流动特性的影响

水轮机转轮间隙内的泄漏涡、泄漏流等复杂的湍流易影响水轮机的性能与稳定性。为了分析下环间隙对混流式水轮机能量特性和内部流态的影响,该文基于N-S方程和SST湍流模型,考虑了0.6 Qd(Qd为设计流量工况)、0.8 Qd、Qd、1.2 Qd共4种流量工况,对5种下环间隙下的混流式水轮机模型机进行三维全流道数值计算。通过对比不同下环间隙方案对混流式水轮机效率与容积损失的影响,结合不同水轮机内部流场特征,分析下环间隙与水轮机性能的关系。计算结果表明:下环间隙由0.4 mm增大到1.3 mm,机组泄漏量增大,水轮机效率整体呈下降趋势。其中,当机组在小流量0.6 Qd工况运行时,间隙对水轮机能量特性影响最为明显,效率下降了4.1个百分点。当机组在小流量0.6 Qd与0.8 Qd工况运行时,下环间隙增大,间隙内部流场与尾水管内部流场呈现小幅度恶化;当机组在大流量1.2 Qd工况运行时,下环间隙增大,转轮叶片吸力面压力分布以及尾水管内部流场均得到改善。该研究可为混流式水轮机结构设计提供有效参考。     

浓缩风能型风力发电机改进模型流场与功率输出特性(简报)

浓缩风能型风力发电机的流场具有特殊性,它的流场特性直接影响该类型风力发电机的性能。浓缩风能型风力发电机改进模型是由相似模型改进而成。采用车载法对改进模型的流场特性进行了试验并与原相似模型比较,研究表明：改进模型中央圆筒叶轮安装处流速增至来流流速的1.38倍,比原模型提高了5.34%;气流动能增至来流风能的2.65倍。采用车载法对改进模型功率输出特性进行了试验,当自然风速为 10.83 m/s时,叶轮转速额定,叶轮风能利用系数Cp为0.182,机组输出功率117.6 W,此时发电机效率为0.655,试验结果证明：叶轮安装处风速是前方相同面积来流风速的1.37倍,气流动能增至来流风能的2.57倍。试验为浓缩风能型风力发电机叶轮设计提供了重要依据。     

超低比转速离心泵关阀启动瞬态特性分析

为探究超低比转速离心泵关阀启动瞬态特性,该文以一台比转速为25的超低比转速离心泵为研究对象,在关死点工况下对稳态和关阀启动瞬态过程进行数值模拟,并与试验结果进行对比,研究表明:在关死点稳态工况下性能曲线与试验测得结果变化趋势相同,最大偏差小于5%,验证了数值模拟的准确性;关阀启动过程,不同启动加速度下启动过程的末期均出现一个冲击扬程;在相同转速时,稳态过程中间截面的静压分布、相对速度流线分布和进口管路内相对速度与关阀启动瞬态过程分布趋势存在差异。关阀启动瞬态过程内部流场的发展总体上滞后于关死点稳态过程内部流场。研究结果可为进一步研究超低比转速离心泵启动的瞬态过程特性提供参考。     

间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响

为了分析转轮间隙流动对混流式水轮机效率预测的影响,该文采用CFD数值模拟方法对含有转轮间隙的混流式水轮机内部流动特性进行研究,定量分析了转轮圆盘效率损失,并将CFD仿真结果和模型试验结果进行了对比。研究表明:考虑了转轮圆盘损失后,在最优单位转速附近CFD计算得到的水轮机效率和模型试验结果吻合良好。当偏离最优工况点较远时,由于流场中存在脱流和涡流,CFD计算得到的效率较试验值偏低。转轮下环表面造成的圆盘效率损失远高于上冠表面,且转轮内外圆盘损失基本相当。在同一水头下,通过转轮间隙的泄漏流量基本为常数。此外,"动静干涉"现象对圆盘损失的影响基本可以忽略不计。该研究结果可为混流式水轮机圆盘损失的预估提供有效的参考。     

抽水蓄能机组低水头起动过渡过程压力脉动分析

抽蓄机组在低水头起动时易进入其全特性曲线的反S不稳定区,从而导致机组并网失败,严重影响机组的安全稳定运行。其中机组内部复杂流动演变导致的剧烈压力脉动是影响机组动态特性的关键。该研究基于计算流体动力学（computational fluid dynamics,CFD）数值模拟方法对水泵水轮机低水头起动过程进行研究,重点分析了导叶与尾水管区域的压力脉动特性及产生原因。结果表明：机组起动过程中,无叶区时均压力幅值是固定导叶与活动导叶间的6倍,且时均压力幅值在无叶区沿周向分布不均。动静干涉主导了无叶区时均压力和脉动压力的变化,而在上游固定导叶与活动导叶间的动静干涉作用主要影响的是压力脉动幅值。尾水管直锥段压力脉动在机组起动过程不同阶段表现出不同的波动特征,PID(proportion integration differentiation)调节阶段压力波动较为明显。通过内部流动对比发现,活动导叶开启会引起无叶区水流速度的分布变化和波动,活动导叶小开度下转轮进口和无叶区存在明显的大尺度旋涡,这些和动静干涉联合作用是导致无叶区时均压力和脉动压力波动幅值高的原因。尾水管涡带在起动过程经历了从边条状涡...