一种流线型拦污栅栅叶及设计方法与流程

1.本发明属于水利工程设备技术领域，涉及水电站拦污栅设计改造技术，特别是涉及一种流线型拦污栅栅叶及设计方法。


背景技术：

2.拦污栅是水电站中一种常见的设备，一般位于水电站进水口处，用于防止水中污染物进入机组，保证电站安全运行。然而，传统的拦污栅栅叶设计存在一些问题，例如流阻大、易于被污染物堵塞、不易清理等。此外，当水流冲击拦污栅时，不当的栅叶形状会使水流栅叶上或栅叶后产生不同程度的漩涡区，进而引起侧向推力和顺向曳引力，使得栅条或整扇拦污栅产生流激振动，当漩涡脱落频率接近栅条或栅体自振频率时，会引起振动增强，从而造成拦污栅疲劳和龟裂等问题，影响水电站的安全运行。因此，需要提出一种新的拦污栅栅叶形状以避免拦污栅因流致振动导致的疲劳和龟裂现象的发生。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题是提供一种流线型拦污栅栅叶及设计方法，基于流线设计的思想，通过对现有拦污栅栅叶改进，可以大幅降低栅叶的流阻，避免栅后发生卡门涡街现象，提高拦污栅的运行稳定性；而且通过对栅叶叶型的流场进行cfd数值仿真模拟，可以得到其流场特性，确定栅叶附近的漩涡产生机理并加以改善。
4.为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种流线型拦污栅栅叶，包括拦污栅栅叶本体，所述拦污栅栅叶本体整体采用流线型栅叶结构，所述拦污栅栅叶本体沿其长度方向，将长为l的拦污栅栅叶本体等分为3段，每一段长度均为1/3l；包括位于中间段的栅叶水平段，栅叶水平段的两个端头采用相同结构且对称设置的栅叶前缘端头结构和栅叶后缘端头结构，栅叶前缘端头结构包括位于端头的栅叶前缘圆弧段，栅叶前缘圆弧段通过栅叶前缘曲线段与栅叶水平段过渡相连。
5.所述栅叶前缘圆弧段为一段圆弧，圆弧半径r等于栅叶最大厚度d的1/4，圆心位于垂直方向1/2d处。
6.所述栅叶前缘曲线段为三点样条曲线拟合，曲线一端与栅叶前缘圆弧段相切，切点与前缘顶端距离为3/5r；曲线另一端与栅叶水平段相切，切点与前缘顶端距离为栅叶长度l的1/3；曲线中间点在水平方向上与前缘顶端距离为1/6l，在垂直方向上与圆弧圆心的距离为9/20d。
7.所述栅叶水平段长度为l/3，栅叶水平段为水平的直线段，栅叶水平段两端分别与栅叶前缘曲线段相切，栅叶水平段对应的厚度即为最大栅条厚度d。
8.所述栅叶后缘端头结构的形状、尺寸、约束参数与栅叶前缘端头结构为对称关系。
9.一种流线型拦污栅栅叶的设计方法，包括以下步骤：
10.步骤1，以工程现有拦污栅栅叶结构为基础，在原有的长、宽设计基础上对栅叶的前缘、后缘进行流线化设计，并建立栅叶几何模型与流场计算域模型；
11.步骤2，对所述流场计算域模型进行网格划分，并进行网格无关性验证；
12.所述流场计算域网格划分中，近壁面第一层网格高度采用无量纲壁面距离控制，其中y1为近壁面第一层网格高度，ρ为流体密度，μ为动力粘度，uf为摩擦速度，其中u为流速，cf为摩擦系数，cf的经验公式采用其中re为雷诺数；
13.所述网格无关性验证包括，划分三组不同数量的网格，导入商业软件fluent中采用相同的边界条件进行计算，当随网格尺寸的加密，速度、压强、升力系数和阻力系数参数变化不超过5％时即可采用该尺寸的网格进行计算，网格质量采用skewness评价，使网格最大skewness值不超过0.7；
14.步骤3，基于商业软件fluent进行流场仿真计算，湍流模型采用k-ωsst，求解方法选择piso；入口边界条件取速度入口v m/s，出口边界条件为压力出口，上下边界条件为对称边界，栅叶处的边界条件为无滑移壁面；
15.步骤4，时间步长基于库朗数选择，即其中c为库朗数，δt为时间步长，δx为网格尺寸；
16.步骤5，采用升力系数c
l
和阻力系数cd来监测结构在垂直流速方向和沿流速方向的受力变化，其中f
l
和fd分别为结构所受升力和阻力大小，d为栅叶特征长度；
17.步骤6，计算完成后，分别绘制升力系数曲线图、阻力系数曲线图、流线云图和速度云图等，并进行分析对比。
18.本发明有益效效果：
19.1、本发明在现有的拦污栅栅叶体型的基础上，基于流线设计的思想，通过对栅叶前缘、后缘处进行流线化设计，从而达到降低流动阻力、避免栅后出现脱落涡、防止因流激振动导致栅叶共振等目的。
20.2、由于无需对现有的叶型进行大幅度调整，且前缘、后缘采用对称结构，具有研发周期短、成本低、与原叶型安全特性相似等优势。
21.3、cfd模拟计算结果显示，相对原叶型，改进叶型在流场特性、升力系数和阻力系数等方面均有大幅优化效果，可提高拦污栅的运行安全性。
附图说明
22.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
23.图1为本发明流线型拦污栅栅叶叶型设计方法示意图。
24.图2为原设计拦污栅栅叶叶型示意图。
25.图3为本发明设计分析流程图。
26.图4为拦污栅栅叶原设计叶型的升力系数c
l
、阻力系数cd对比图。
27.图5为本发明流线型栅叶的升力系数c
l
、阻力系数cd对比图。
28.图6为拦污栅栅叶原设计叶型的流线云图。
29.图7为本发明流线型栅叶的流线云图。
30.图8为拦污栅栅叶原设计叶型的速度云图。
31.图9为本发明流线型栅叶的速度云图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
33.实施例1：
34.请参阅图1，一种流线型拦污栅栅叶，包括拦污栅栅叶本体，所述拦污栅栅叶本体整体采用流线型栅叶结构，所述拦污栅栅叶本体沿其长度方向，将长为l的拦污栅栅叶本体等分为3段，每一段长度均为1/3l；包括位于中间段的栅叶水平段3，栅叶水平段3的两个端头采用相同结构且对称设置的栅叶前缘端头结构和栅叶后缘端头结构，栅叶前缘端头结构包括位于端头的栅叶前缘圆弧段1，栅叶前缘圆弧段1通过栅叶前缘曲线段2与栅叶水平段3过渡相连。所述一种流线型拦污栅栅叶，基于流线设计的思想，通过对现有拦污栅栅叶改进，可以大幅降低栅叶的流阻，避免栅后发生卡门涡街现象，提高拦污栅的运行稳定性；而且通过对栅叶叶型的流场进行cfd数值仿真模拟，可以得到其流场特性，确定栅叶附近的漩涡产生机理并加以改善。
35.进一步的，所述栅叶前缘圆弧段1为一段圆弧，圆弧半径r等于栅叶最大厚度d的1/4，圆心位于垂直方向1/2d处。通过采用上述的
36.进一步的，所述栅叶前缘曲线段2为三点样条曲线拟合，曲线一端与栅叶前缘圆弧段1相切，切点与前缘顶端距离为3/5r；曲线另一端与栅叶水平段3相切，切点与前缘顶端距离为栅叶长度l的1/3；曲线中间点在水平方向上与前缘顶端距离为1/6l，在垂直方向上与圆弧圆心的距离为9/20d。
37.进一步的，所述栅叶水平段3长度为l/3，栅叶水平段3为水平的直线段，栅叶水平段3两端分别与栅叶前缘曲线段2相切，栅叶水平段3对应的厚度即为最大栅条厚度d。
38.进一步的，所述栅叶后缘端头结构的形状、尺寸、约束参数与栅叶前缘端头结构为对称关系。
39.实施例2：
40.一种流线型拦污栅栅叶的设计方法，包括以下步骤：
41.步骤1，以工程现有拦污栅栅叶结构为基础，在原有的长、宽设计基础上对栅叶的前缘、后缘进行流线化设计，并建立栅叶几何模型与流场计算域模型；
42.步骤2，对所述流场计算域模型进行网格划分，并进行网格无关性验证；
43.所述流场计算域网格划分中，近壁面第一层网格高度采用无量纲壁面距离控制，其中y1为近壁面第一层网格高度，ρ为流体密度，μ为动力粘度，uf为摩擦速度，其中u为流速，cf为摩擦系数，cf的经验公式采用其中re为雷诺数；
44.所述网格无关性验证包括，划分三组不同数量的网格，导入商业软件fluent中采用相同的边界条件进行计算，当随网格尺寸的加密，速度、压强、升力系数和阻力系数参数
变化不超过5％时即可采用该尺寸的网格进行计算，网格质量采用skewness评价，使网格最大skewness值不超过0.7；
45.所述skewness为有限元分析中常用的网格质量评价标准，其主要用于描述网格单元内角度偏差的程度，数字越接近1，则偏差就越明显；数字越接近0，则偏差就越小，表示模型形状更加正交和均匀。本实施例中，通过控制skewness值不大于0.7来保证网格具有较高的质量；
46.步骤3，基于商业软件fluent进行流场仿真计算，湍流模型采用k-ωsst，求解方法选择piso；入口边界条件取速度入口v m/s，出口边界条件为压力出口，上下边界条件为对称边界，栅叶处的边界条件为无滑移壁面；
47.所述k-ωsst为湍流模型雷诺平均方程(rans模型)中的一种，k-ωsst模型可以结合k-ω模型和k-ε模型在不同计算域内的优势，为处理本实施例中拦污栅栅叶的流场仿真提供了较好的精度和适用性，并且具有高效的计算效率。
48.所述piso为求解n-s方程的一种常用算法，piso算法在求解瞬态问题时具有较高的稳定性和较快的收敛速度，为处理本实施例中拦污栅栅叶的瞬态流场仿真计算提供高效的数值稳定性和灵活性。
49.步骤4，时间步长基于库朗数选择，即其中c为库朗数，δt为时间步长，δx为网格尺寸；
50.步骤5，采用升力系数c
l
和阻力系数cd来监测结构在垂直流速方向和沿流速方向的受力变化，其中f
l
和fd分别为结构所受升力和阻力大小，d为栅叶特征长度；
51.步骤6，计算完成后，分别绘制升力系数曲线图、阻力系数曲线图、流线云图和速度云图等，并进行分析对比。
52.实施例3：
53.参见图2-6，以原设计拦污栅栅叶叶型为例，进行说明。
54.步骤1：以某工程现有拦污栅栅叶为例，在其原有的长、宽设计基础上对栅叶的前缘、后缘进行流线化设计，并建立栅叶几何模型与流场计算域模型；
55.步骤2：对所述流场计算域模型进行网格划分，并进行网格无关性验证；
56.所述流场计算域网格划分中，近壁面第一层网格高度采用无量纲壁面距离控制，其中y1为近壁面第一层网格高度，ρ为流体密度，μ为动力粘度，uf为摩擦速度，其中u为流速，cf为摩擦系数，其经验公式一般为其中re为雷诺数；
57.所述网格无关性验证包括，划分三组不同数量的网格，导入商业软件fluent中采用相同的边界条件进行计算，当随网格尺寸的加密，速度、压强、升力系数、阻力系数等参数变化不超过5％时即可采用该尺寸的网格进行计算，网格质量采用skewness评价，使网格最大skewness值不超过0.7；
58.步骤3：基于商业软件fluent进行流场仿真计算，湍流模型采用k-ωsst，求解方法
选择piso；入口边界条件取速度入口3m/s，出口边界条件为压力出口(相对大气压为0)，上下边界条件为对称边界，栅叶处的边界条件为无滑移壁面；
59.步骤4：时间步长基于库朗数选择，即其中c为库朗数，δt为时间步长，δx为网格尺寸，本例时间步长取0.0002，总计算时间步取15000步，计算总时间为3s；
60.步骤5：采用升力系数c
l
和阻力系数cd来监测结构在垂直流速方向和沿流速方向的受力变化，其中f
l
和fd分别为结构所受升力和阻力大小，d为栅叶特征长度；
61.步骤6：计算完成后，分别绘制升力系数曲线图、阻力系数曲线图、流线云图和速度云图等，并进行分析对比；
62.本实施例中，拦污栅栅叶原设计叶型与本发明流线型栅叶的升力系数c
l
、阻力系数cd随时间变化过程见图4和图5。本发明流线型拦污栅栅叶的升力系数c
l2
比原设计叶型栅叶的升力系数c
l1
由最大1.801降低至最大0.024；本发明流线型拦污栅栅叶的阻力系数c
d2
比原设计叶型栅叶的阻力系数c
d1
由1.181～1.473降低至0.17467～0.17483。本发明流线型拦污栅栅叶的升力系数与阻力系数均有很好的改善，大幅降低了结构在垂直流速方向和沿流速方向的所受的脉动力。
63.本实施例中，拦污栅栅叶原设计叶型与本发明流线型栅叶的流线、流速对比云图分别见图6、图7以及图8、图9。本发明流线型拦污栅栅叶在相同边界条件下流场的最大流速由原来的4.57m/s降低至3.59m/s。同时其流线分布、漩涡脱落等指标相对于原设计拦污栅栅叶叶型均有很好的改善。当水流冲击拦污栅时，本发明流线型拦污栅栅叶可以避免水流在栅叶上或栅叶后产生漩涡区，使得栅条或整扇拦污栅具有良好的振动特性，从而减少拦污栅疲劳和龟裂等问题，保证拦污栅的安全稳定运行。

技术特征：
1.一种流线型拦污栅栅叶，包括拦污栅栅叶本体，其特征在于，所述拦污栅栅叶本体整体采用流线型栅叶结构，所述拦污栅栅叶本体沿其长度方向，将长为l的拦污栅栅叶本体等分为3段，每一段长度均为1/3l；包括位于中间段的栅叶水平段(3)，栅叶水平段(3)的两个端头采用相同结构且对称设置的栅叶前缘端头结构和栅叶后缘端头结构，栅叶前缘端头结构包括位于端头的栅叶前缘圆弧段(1)，栅叶前缘圆弧段(1)通过栅叶前缘曲线段(2)与栅叶水平段(3)过渡相连。2.根据权利要求1所述一种流线型拦污栅栅叶，其特征在于，所述栅叶前缘圆弧段(1)为一段圆弧，圆弧半径r等于栅叶最大厚度d的1/4，圆心位于垂直方向1/2d处。3.根据权利要求2所述一种流线型拦污栅栅叶，其特征在于，所述栅叶前缘曲线段(2)为三点样条曲线拟合，曲线一端与栅叶前缘圆弧段(1)相切，切点与前缘顶端距离为3/5r；曲线另一端与栅叶水平段(3)相切，切点与前缘顶端距离为栅叶长度l的1/3；曲线中间点在水平方向上与前缘顶端距离为1/6l，在垂直方向上与圆弧圆心的距离为9/20d。4.根据权利要求3所述一种流线型拦污栅栅叶，其特征在于，所述栅叶水平段(3)长度为l/3，栅叶水平段(3)为水平的直线段，栅叶水平段(3)两端分别与栅叶前缘曲线段(2)相切，栅叶水平段(3)对应的厚度即为最大栅条厚度d。5.根据权利要求4所述一种流线型拦污栅栅叶，其特征在于，所述栅叶后缘端头结构的形状、尺寸、约束参数与栅叶前缘端头结构为对称关系。6.权利要求1-5任意一项所述一种流线型拦污栅栅叶的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，以工程现有拦污栅栅叶结构为基础，在原有的长、宽设计基础上对栅叶的前缘、后缘进行流线化设计，并建立栅叶几何模型与流场计算域模型；步骤2，对所述流场计算域模型进行网格划分，并进行网格无关性验证；所述流场计算域网格划分中，近壁面第一层网格高度采用无量纲壁面距离控制，其中y1为近壁面第一层网格高度，ρ为流体密度，μ为动力粘度，u
f
为摩擦速度，其中u为流速，c
f
为摩擦系数，c
f
的经验公式采用其中re为雷诺数；所述网格无关性验证包括，划分三组不同数量的网格，导入商业软件fluent中采用相同的边界条件进行计算，当随网格尺寸的加密，速度、压强、升力系数和阻力系数参数变化不超过5％时即可采用该尺寸的网格进行计算，网格质量采用skewness评价，使网格最大skewness值不超过0.7；步骤3，基于商业软件fluent进行流场仿真计算，湍流模型采用k-ωsst，求解方法选择piso；入口边界条件取速度入口v m/s，出口边界条件为压力出口，上下边界条件为对称边界，栅叶处的边界条件为无滑移壁面；步骤4，时间步长基于库朗数选择，即其中c为库朗数，δt为时间步长，δx为网格尺寸；步骤5，采用升力系数c
l
和阻力系数c
d
来监测结构在垂直流速方向和沿流速方向的受力变化，其中f
l
和f
d
分别为结构所受升力和阻力大小，d为栅叶特征长
度；步骤6，计算完成后，分别绘制升力系数曲线图、阻力系数曲线图、流线云图和速度云图等，并进行分析对比。

技术总结
本发明提供了一种流线型拦污栅栅叶，所述拦污栅栅叶本体整体采用流线型栅叶结构，所述拦污栅栅叶本体沿其长度方向，将长为L的拦污栅栅叶本体等分为3段，每一段长度均为1/3L；包括位于中间段的栅叶水平段，栅叶水平段的两个端头采用相同结构且对称设置的栅叶前缘端头结构和栅叶后缘端头结构，栅叶前缘端头结构包括位于端头的栅叶前缘圆弧段，栅叶前缘圆弧段通过栅叶前缘曲线段与栅叶水平段过渡相连。基于流线设计的思想，通过对现有拦污栅栅叶改进，可以大幅降低栅叶的流阻，避免栅后发生卡门涡街现象，提高拦污栅的运行稳定性；而且通过对栅叶叶型的流场进行CFD数值仿真模拟，可以得到其流场特性，确定栅叶附近的漩涡产生机理并加以改善。理并加以改善。理并加以改善。


技术研发人员：李湧博 薛炳 张春辉 易万爽
受保护的技术使用者：中国长江电力股份有限公司
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/4