阻抗原理（精选4篇）
阻抗原理 篇1
0 引言
工频变化量阻抗继电器只反映暂态分量, 作为线路保护的快速距离Ⅰ段, 它具有稳态量继电器不可企及的优良特性。但是由于鲜少有关于工频变化量阻抗继电器的详细说明, 且有专用测试仪的模块可以完成校验工作, 导致工程技术人员对其原理不甚了然。本文详细推导了工频变化量阻抗继电器的校验公式, 并给出了手动调试的步骤及注意事项。
1 工频变化量阻抗继电器原理
图1所示为正常运行系统图, U1、I1为正常负荷, Zset为整定阻抗值;图2所示为保护区内正方向经过渡电阻Rg发生故障后的附加状态网络图, ΔUm为保护安装处测量到的工频电压变化量, ΔIm为保护安装处测量到的工频电流变化量, Zk为保护安装处测量阻抗值。
电力系统可以近似看作线性系统, 因此故障时电气量可以分解为故障前正常运行状态及故障后附加状态的叠加。工频变化量就是利用故障后附加状态的工频电气量构成的过电压继电器。其动作方程如式 (1) 所示:
其中, ΔUOP=Δ (Um-ImZset) =ΔUm-ΔImZset为工作电压, 其物理概念是:从保护安装处到保护末端流的是同一个电流Im时保护范围末端电压的变化量。ΔUF为极化电压, 其物理概念为短路前短路点F的电压, 因为该电压是未知的, 因此工程实践上用保护范围末端在短路前的电压来代替ΔUF。
对于接地阻抗继电器:
式中, Φ=A、B、C;K为零序补偿系数。
对于相间阻抗继电器:
式中, ΦΦ=AB、BC、CA。
以图2为例分析正方向故障时的动作特性图, 保护安装处感受到的测量阻抗Zk为短路点F到保护安装处的阻抗Zk′和过渡电阻的附加阻抗Za之和。则:
而ΔUF=ΔIm (ZS+Zk) , 代入动作方程, 得到:
转换成等效的相位比较动作方程[1]为:
其特性如图3所示的圆1。圆1包含了第4象限, 正向出口短路没有死区, 且在R轴上的投影比其他距离继电器大, 其反映过渡电阻能力强。
在反方向F点发生经过渡电阻故障时的系统网络图如图4所示, 其相位比较动作方程[1]为:
对安装在MN线路M侧的继电器来说短路点在反方向, 其感受到的阻抗为-Zk, 位于第3象限, 以-Zk为自变量作出的动作特性如图3中圆2所示。圆2位于第1、第2象限, 因此, 反方向故障时继电器可靠不动作。
2 工频变化量阻抗继电器校验公式
设故障前线路空载即不考虑负荷分量, 当发生单相接地故障时, 动作方程为:
考虑到互感器测量及线路参数等误差, 取ΔUF=1.05UN, 则当U
继电器在m=1.1时应可靠动作, 在m=0.9时应可靠不动作。
当发生相间短路故障时:
同样取, 则当当, 工频变化量继电器动作。同样地, 可设故障相间电压为:
继电器在m=1.1时应可靠动作, 在m=0.9时应可靠不动作。
公式 (2) 、 (3) 即为工频变化量阻抗继电器的校验公式, 因为单相接地故障时的校验方法比较简单, 下面仅介绍相间故障时的手动校验方法。需要注意的是, 根据公式 (3) 得到的仅是故障相间电压, 要经过计算才能得到加入测试仪的故障相电压。
3 工频变化量阻抗继电器相间故障校验方法
以线路正方向区内B、C相间故障为例进行计算, 其电气向量图如图5所示。设故障前空载, 电压UA′=57.7ej0°V, UB′=57.7e-j120°V, UC′=57.7ej120°V, 线路正序阻抗角为75°, 故障电流幅值为10 A, 整定阻抗为1Ω。根据公式 (3) 得:
根据相间故障电气量特点, UB、UC在UB′、UC′连线[2]上, 且|OM|=57.7/2=28.85, 据此可求得角度。且故障相间电流滞后故障相间电压正序阻抗角, 即IBC滞后UBC75°。
则故障后电气量为:
需注意的是, 上述计算是以故障前电压幅值为57.7 V为前提的。因此, 试验过程中, 如果故障前电压幅值另取他值, 计算过程应作相应变化。另外, 计算故障后电压的角度和幅值时不可避免会出现小数位, 而数值的微小变化将影响试验结果, 因此作m=1.1的动作校验时, 只能“四舍”不能“五入”, 应尽量取较小的数值。
正方向区外故障时, 取m=0.9, 计算方法同上。同理, 此时取小数值时应“五入”不能“四舍”, 要尽量取较大的数值。反向故障校验时, 应取m>1.1时的动作电压值, 只需分别将电流相位反向即可。
4 结语
工频变化量阻抗继电器因其仅反映暂态分量, 具有动作速度快、不受过渡电阻影响、不受系统振荡影响等优良特性, 在我国线路主保护及大型变压器后备保护中应用广泛。本文通过分析该继电器原理及校验方法, 给出了不借助专用测试仪手动调试该继电器的方法。
参考文献
[1]南京南瑞继保电气有限公司.高压输电线路保护及重合闸培训教材
[2]江苏省电力公司.电力系统继电保护原理与实用技术.中国电力出版社, 2006
阻抗原理 篇2
在现代通信和广播电视传输过程中,数字信息和模拟量的传输,都需要依靠调制电路对有用信号进行调制之后,再经过传输线缆、输出分配网络、馈线和天线传输发射出去。而无论是哪一种调制方式,都需要解决匹配问题。由于这一部分的设计调试涉及到复变函数的运算,实际操作当中误差较大,运算数据量大,维护和调试相对复杂,应用史密斯阻抗圆图可以较为方便地解决这一问题。史密斯阻抗圆图直观反映一个传输系统的输入量和反射量的关系,通过简洁的作图,代替了复杂的复数计算,是解决高频传输和无线发射技术的有效工具,广泛应用在各个领域。史密斯阻抗圆图的关键,是建立归一化阻抗,通过复数演算得出电阻圆图和电抗圆图解析方程式,再进行绘图合并。最后一个环节就是应用这一圆图解决实际应用问题。
2史密斯阻抗圆图原理解析
2.1建立归一化概念
在绘出阻抗圆图之前应明确两个问题。
(1)为什么要建立归一化
在一个传输系统电路中,要把一个已调信号最有效地传输到负载上,就要通过合理配置输入阻抗和输出阻抗,最佳的配置就是实现阻抗匹配。但在实际解决阻抗匹配的过程中,我们要根据信号源频率、带宽、传输介质的固有特性阻抗、负载阻抗等基本参数,求解或配谐阻抗,应用公式推演各参数变化,不仅运算复杂量大,还不能直观地反映这些参数的变化趋势。建立归一化概念后,就可把输入阻抗、输出阻抗、阻抗匹配程度统一起来,在阻抗圆图和导抗圆图上通过标共扼阻抗的点,可快速发现配谐路径及其配谐元件参数,也可直观地反映匹配过程中阻抗以及反射系数的变化规律。
(2)如何建立归一化各参数
对于一个具有一定能量的电源电势纯电阻输出电路,负载电阻获得功率多少,不仅与其本身电阻值有关,而且和该电源内阻以及线阻有关。当电源能量以最大限度输出到负载时,能量分配关系为Pout/Pin=1,电阻配置关系为R/r=1,电压降关系为UR/Ur=1。由此,我们把这些关系延伸到高频传输系统就不难得出归一化的各种参数了。
2.2高频传输电路归一化参数
我们把归一化关系拓延到高频信号传输系统,从完全失谐到完全匹配这个过程中发现,zout/zin阻抗关系并非归“1”,电压关系也未归“1”,而是产生了一个新的复数,只有达到匹配时才能归一,为此我们就把这些参数名命为归一化参数。我们应当明确,在实际设备配谐中,归一化匹配仅是一个理想的配谐参考点,也是无线电物理学的极限点之一,我们只要尽可能做到,尽量接近这一点就可以了。
下面我们还将应用反射系数的概念,用以取代电压关系,因为这个系数从入射电压和反射电压的角度,更实际地反映出高频信号的传输情况。
2.3高频传输电路中阻抗配谐关系
以交变串联谐振电路为例,从完全失谐(负载开路)到完全匹配这一定义域内,输入阻抗和输出阻抗之间在物质特性上都可独立存在,并没有什么本质的联系。但在传输信号过程中要使得负载阻抗获得最大功率,输入阻抗与输出阻抗之间将相互联系并相互影响,把输入阻抗与输出阻抗统一起来考量,就是应用归一化阻抗来分析解决问题,也是从输入阻抗和输出阻抗两个方面描述阻抗匹配的一般关系。
把输入阻抗zin=r'+jxin与输出阻抗zout=R'+jxout统一起来考量,如图1所示。
建立归一化阻抗表达式:
其中:
分析r+jx这个值,虽然没有具体的物理量单位,但它不同于数学意义层面上的复数,它已经赋予了输入阻抗和输出阻抗的配谐关系,其两个特殊值和一系列域值具有一定的物理意义:r+jx=1表示系统完全匹配;r+jx其值等于0或∞表示电路有短路和开路;介于两者之间的域值则为失谐状态。r+jx就是归一化阻抗,我们用“z=r+r+jx”表示为“归一化阻抗”,它是一个标量,归一化阻抗虽然能够把输入输出阻抗统一起来,但还无法得出阻抗圆图,达不到直观反映匹配程度的效果。
2.4高频传输电路中反射系数与归一化阻抗
为了能够全面反映高频传输过程中各种参数的变化关系,仅用归一化阻抗这一个参数描述问题还不是很确切,从信号源能量入射与反射的角度,我们引入反射系数这一概念说明问题更为妥当。
反射系数Г通常用于描述高频传输介质中反射波能量与入射波能量之比,由于在阻抗串联电路中,等于反射电压与入射电压之比,其公式为:
因为zout/zin=r+jx=z,所以:
又因Г是复数,所以:
根据两个复数相等,则实部与实部相等、虚部与虚部相等的定义,将产生以下实部相等方程式和虚部相等方程式:
实部电阻圆方程为:
虚部电抗曲线方程:
按照几何圆做图方法,给r和x赋值,并以ΓX和Γy构成的平面直角坐标系绘图,因为电阻圆图和电抗圆图在同一坐标系中,所以可以把两图合并起来,从而形成史密斯阻抗圆图。如此,同理我们可以导出导纳圆图,与阻抗圆图合并,形成较完整的阻抗圆图。如图2所示。
3阻抗圆图的特点及其应用
3.1阻抗圆图的特点
阻抗圆图(包括导抗圆图)意义十分广泛,由于篇幅所限,仅对一般应用中重点特点进行介绍。
(1)圆图上有三个特殊的点,即匹配点——坐标为(0,0),此处对应于r=1、x=0、Г=0;短路点坐标为(-1,0),此处对应于r=0、x=0、Г=1);开路点坐标为(1,0),此处对应于r=∞、x=∞、Г=-1。
(2)每个圆周上的各点阻抗的实部相等,虚部由圆与曲线交点上曲线的电抗值决定,圆周上任何一点的阻抗相对应着该点的导抗,可根据需要确定。
(3)实轴以上的上半平面是感性阻抗的轨迹,实轴以下的下半平面是容性阻抗的轨迹,左半圆为并联,右半圆为串联。
(4)由圆图上的点可以得到四个参量:r、x、|Г|、Ф。
3.2阻抗圆图的应用
阻抗圆图的应用要点首先是计算归一化问题,其次是掌握阻抗的运算,第三是明确点移动的意义。
(1)在阻抗圆图上标出阻抗,可根据圆找出阻抗的实部,再沿圆周移动找出电抗对应的曲线交点。
(2)阻抗变换与运算:沿实轴运算实部,沿圆周运算虚部,交替应用导抗圆和阻抗圆解决阻抗变换(因此类应用相对简单,只要用心体会即可掌握)。
(3)重点应用是完成阻抗匹配,实现这一目标的方法是在史密斯圆图上不断增加串联和并联元件,直到得到我们想要的阻抗值,再经过共扼换算,就可以计算匹配元的参数了。
从图形上看,就是找到一条途径来连接史密斯圆图上的点,同样,说明这种方法的最好办法是给出一个实例,如图3所示的已知条件,传输线特性阻抗为50Ω频率60M,求L、C的值。其步骤如下:
第一步,求出归一化阻抗,根据ZS的值得知共轭匹配的阻抗z*S=25+j15Ω,则其共轭归一化阻抗为z*S=0.5+j0.3,归一化负载阻抗zL=2-j0.3。
第二步,在阻抗圆图(导纳圆图)标出共轭归一化阻抗,归一化负载阻抗对应点。用史密斯圆图进行阻抗匹配,如图4所示。
第三步,在阻抗圆图上测出C和L的长度,其中C的长度代表电容C的归一化导纳值,其长度为0.78。L的长度代表着电感L的归一化阻抗值,其长度为1.2。
第四步,把归一化导纳还原为电导,再根据yC=2πf C公式计算。
把归一化感抗还原为感抗,再根据XL=2πf H公式计算。
3.3史密斯阻抗圆图其他应用
根据负载阻抗计算传输线上驻波比;根据负载阻抗和传输线长计算输入端的输入导纳输入阻抗以及输入端的反射系数;根据线上的驻波系数及电压波节点的位置确定负载阻抗。由于本文篇幅有限,这里就不再叙述。
4小结
本文通过作者对史密斯阻抗圆图原理及应用知识的研读,罗列出其公式导出原理、作图要点和应用圆图解决实际问题几个方面,由于篇幅所限,仅能做到勾画出基本图例,以求理解其中道理为要。当今软件业高速发展,阻抗圆图已经被相关科技专家汇编为专业软件,非常简便适用,数据准确程度,手工作图无法比拟。
摘要：本文通过理论推导和实践应用,阐述了阻抗匹配相关参数的意义,以更好地建立起信号传输和天馈线网络匹配设计、调试、维护系统知识结构,这对提高技术运维能力很有帮助。
阻抗原理 篇3
随着光伏发电在电力能源中所占的比重越来越大, 光伏发电系统对电网的影响已不容忽视。尤其是在我国光伏电站大规模集中开发的背景下, 当电网发生故障造成并网点电压跌落时, 一旦光伏逆变器自动脱网, 就可能造成电网电压和频率崩溃, 严重影响电网的安全稳定运行。为了减小光伏发电大规模接入电网对电网的影响, 必须测试新建光伏电站、实际并网结构发生重大变化的光伏电站的低电压穿越能力, 以验证光伏电站关键设网设备的低电压穿越能力。
1 电网故障模拟设备设计原理
高海拔光伏电站电网故障模拟设备原理拓扑图如图1所示, 虚线框内为检测装置, CB1为进线开关, CB2为旁路开关, CB3为短路开关, Xsr、Xsc分别为限流电抗和短路电抗。
检测装置串联接入被测光伏电站。检测装置工作在旁路状态时, CB1、CB2闭合, CB3断开, 光伏单元正常发电。检测装置工作在试验状态时, 先断开CB2, 投入限流电抗, 然后闭合CB3, 投入短路电抗, 测试点的电压变为限流电抗与短路电抗的分压。通过改变限流电抗和短路电抗的不同分接头可得到不同的电抗值, 最终实现测试点电压的不同跌落值, 由此来检验被测光伏单元的低电压穿越特性。检测装置与适用于海拔3 500m以下的断路器和单级接触器配合, 还可以实现不同的跌落方式。
2 电网故障模拟设备硬件结构设计
2.1 电抗组合设计
高海拔光伏电站电网故障模拟系统通过多抽头电抗器的抽头组合来实现各跌落点的电抗组合, 跌落幅度覆盖0~90%Un (电网电压) 范围, 每间隔5%Un都分布有跌落点, 电压跌落精度不大于±2%Un。高海拔光伏电站电网故障模拟系统基于电抗分压模拟电压跌落, 因此根据电抗分压理论, 可得到电网故障模拟系统输出电压 (即电压跌落幅度) 。
式中, Xs为网侧电抗;Xsr为限流电抗;Xsc为短路电抗。
理论上, 将限流电抗投入至最大, 并将短路电抗投入为零, 则测试点的电压跌落值为零, 可实现光伏电站的零电压穿越测试。
2.2 跌落点自动切换设计
高海拔光伏电站电网故障模拟系统配置了1个多触点切换开关。该切换开关各触点连接电抗器各抽头, 通过集控系统将限流电抗和短路电抗优化组合, 达到精细调节限流、短路电抗比。选择不同跌落点时, 切换开关根据电抗组合矩阵自动完成该跌落点的电抗连接, 实现不同跌落点电抗自动切换功能。电抗器与切换开关连接如图2所示, 电抗器切换原理如图3所示。
2.3 跌落方式自动切换设计
高海拔光伏电站电网故障模拟系统配置适用于海拔3 500m以上地区的单级接触器设备。该设备通过与断路器配合, 根据不同的测试要求, 选择不同的跌落方式;通过远程控制系统, 自动投切单级接触器, 模拟电网故障下的三相对称跌落、两相相间不对称跌落, 并通过更改短接连片完成单相接地不对称跌落。
3 电网故障模拟设备软件设计
高海拔光伏电站电网故障模拟设备软件结构如图4所示, 后台操作监控系统基于NS3000综合集控系统平台开发, 硬件层由远程试验终端和PLC硬件组成, 远程试验终端的操作系统为Windows 2000或Windows XP。经实际安装测试, 该设备后台操作监控系统在Windows XP与Win7系统上均可安装成功。
高海拔光伏电站电网故障模拟设备软件结构组成分为以下几层。
第一层为各一次设备数据及状态信号的采集层, 主要完成各一次设备的状态信号和数据的采集。
第二层是由设备状态检测模块、系统数据采集模块共同搭建而成的底层数据处理层, 分别由高海拔光伏电站电网故障模拟设备后台设备状态检测模块、系统数据采集模块、系统操作控制模块组成, 主要对系统数据采集模块采集的数据进行比较和分析。
第三层是基于NS3000综合集控系统开发而成的高海拔光伏电站电网故障模拟设备操作平台, 综合分析下层的数据与状态, 判断系统是否运行正常, 是否满足试验要求, 并给出是否进行下一项试验内容的提示, 同时通过后台显示各状态量和数据量。
4 系统功能
高海拔光伏电站电网故障模拟系统配置的集控子系统具备自动化检测、数据采集及处理、安全保护等功能, 可保证高海拔光伏电站电网故障模拟系统全自动化高效、安全、可靠地运行。
4.1 自动化检测功能
高海拔光伏电站电网故障模拟系统通过集控子系统操作员站远程控制断路器开合, 改变 (对称及不对称) 跌落类型, 自动实现相关接线, 无需人工干预, 增强了试验的安全可靠性, 提高了检测效率。
4.2 数据采集及处理功能
高海拔光伏电站电网故障模拟系统配置的数据采集单元和操作员站具备自动化数据采集和处理功能。测量系统整体精度优于0.2级;各PT和CT需有良好的瞬态响应特性;具有电抗器温度测量和显示功能;能够精确测量和记录试验过程中的全部数据, 包括电压跌落前至电压恢复后任意时间段内所有暂态过程和稳态过程。
数据采集单元配有的高精度数据采集设备, 可同时采集至少16路模拟量信号, 用于故障模拟系统输入和输出侧的电压、电流测量;具有与操作员站通信的功能, 可实时与操作员站通信, 及时将采集到的数据传送到操作员站;实时计算电流、电压、有功功率等并送操作员站以曲线等类型显示;测量用电压互感和电流互感器精度为0.2级。
数据采集单元配有的多功能消谐装置能自动消除电网中的1/10次分频、1/7次分频、1/5次分频、1/3次分频、1/2次分频、基频和3次高频谐振。
操作员站具有智能化检测数据处理分析功能, 按照GB/T 19964—2012《光伏发电站接入电力系统技术规定》及其配套的检测规程中关于低电压穿越测试要求, 自动对检测获得数据进行跌落幅度、网压波动、有功恢复、无功支撑等方面的分析, 建立相应数据库文件, 并以图形、表格等形式实时显示处理分析结果。
4.3 安全保护功能
高海拔光伏电站电网故障模拟系统具有集控子系统顶层保护、就地控制单元保护、专项保护等多层次、全面安全保护配置;具有就地/远方手动紧急切出功能, 可在任何时刻手动将该高海拔光伏电站电网故障模拟设备从电网切出。
(1) 集控子系统顶层保护:在软件内部相应操作的设置上增加了闭锁功能, 在跌落时无法修改跌落幅值、跌落方式、跌落时间, 只有在完成1次跌落后才能重新选择跌落方式、跌落时间, 在取消跌落后才能修改跌落幅值以避免误操作。
(2) 就地控制单元保护:基于自主研发核心控制硬件平台, 具有完善的安全保护软件逻辑, 配合外围硬件闭锁逻辑, 可监测电抗等关键部件。在电抗器温度过限、其它测试系统异常时可将其自动切出, 整套设备具备防反送电保护功能。
(3) 专项保护:配置成熟的继电保护单元、完善的五防控制单元。
集控子系统通过光纤以太网对下级单元进行远程控制, 最大限度保障人身安全, 确保高海拔光伏电站电网故障模拟系统检测装置在极端情况下可安全可靠工作。
5 结束语
本文提出了一种适用于高海拔地区的大型光伏电站关键设网设备的性能检测设备, 阐述了其设计原理、硬软件结构及主要功能。基于阻抗分压原理的高海拔光伏电站电网故障模拟设备能实时模拟不同的电网故障状态, 从而检验光伏电站关键设网设备性能, 确保电网安全稳定运行。
摘要：光伏电站电网故障模拟设备采用阻抗分压原理进行设计, 能模拟电网的低电压和零电压故障, 为光伏电站的并网检测提供重要的硬件支撑。
关键词：光伏电站,阻抗分压,低电压穿越,零电压穿越
参考文献
[1]GB/T 19964—2012光伏发电站接入电力系统技术规定[S]
[2]赵平, 严玉廷.并网光伏发电系统对电网影响的研究[J].电气技术, 2009 (3) :7, 8
阻抗原理 篇4
关键词：数值模拟,调压室,阻抗系数
0前言
调压室是建立在压力水道上的建筑物, 以反射压力管道中传来的水锤波, 从而减小及避免水锤对压力管道的影响[1]。调压室主要由调压室前后有压管道部分、调压室与有压管道链接处的分叉部分、调压室自身的阻抗孔部分及内部突扩部分组成。作为水工结构中输水系统的重要组成部分, 调压室一直是研究单位和学者们所关注和研究的重点。如果不能正确的判断和选择其水力特性参数, 不仅会影响水电站的安全稳定, 甚至直接导致整个工程项目的失败。
对于调压室的阻抗系数, 近年来国内对调压室阻力系数的研究有了很大的进步, 刘启钊、蔡付林、宋长福等人[2,3,4]通过试验研究得出了简单调压室和有长连接管的阻抗式调压室阻抗系数关于流量比的拟合公式和关系曲线, 并推导出了阻抗式调压室局部水头损失表达式。但这些研究只是针对比较简单的阻抗式调压室, 并没有结合CFD方法对几种典型简单调压室进行试验对比分析。因此本文将在总结前人结果的基础上, 以CFD软件为平台, 对几种典型调压室进行数值模拟与试验对比分析, 研究调压室结构及各种边界条件下对其阻抗系数的影响。
1 数值模拟
1.1 控制方程
(1) 连续方程:
(2) Reynolds时均N-S方程:
(3) k-ε模型方程:
式中:为经验常数, 其值分别取1.44、1.9、1.0、1.2;C2ε的大小取决于主流方向与重力方向有关。平均速度引起的湍动能产生项Gk, 其计算公式为:;当流体可压时, 浮力引起的湍动能产生项Gb (本问题文研究中不计) ;当流体可压时, 湍动中脉动扩张的贡献YM (在本问题研究中也不计) [6]。
1.2 计算方法与边界条件
本文采用基于同位网格的SIMPLEC算法实现对速度和压力之间的耦合;应用有限体积法离散控制方程;对流项采用二阶迎风离散格式, 扩散项采用中心差分格式;近壁区域流动通过标准壁面函数法描述, 使用标准k-ε湍流模型封闭方程组[7]。在本文的所有研究对象模拟中, 进口边界条件均采用速度进口, 出口边界均采用自由出流。
2 计算结果与分析
2.1 T型分岔管阻抗系数
T形岔管调压室阻抗系数主要取决于三管连接处的修圆半径、分流与汇流比和管长管径[6]。本文研究所采用如图1 (管内径均为0.1m, 管道长度为1m, 大井高度1m) T形岔管调压室模型。在两种流态下, 通过不同分流比进行CFD计算并与文献[1]中T型分岔管调压室模型试验数据进行对比。由图1可知, 其CFD计算值与经验值趋势变化基本一致, 随着分流比Q2/Q1变化, ξ12、ξ13均先减小后变大, ξ12在0.2~0.6之间与经验值相差较大, 但是其误差均在0.1之内;ξ13随着流量比Q2/Q1的增大与经验值的差距越来越小, Q2/Q1为0.6是个转折点, Q2/Q1>0.6是最大误差为0.15, Q2/Q1<0.6后误差越来越小, 模拟数值基本与经验值符合。
2.2 有连接管的阻抗式调压室阻抗系数
本文研究的带连接管的阻抗式调压室模型如图3 (引水管道内径0.1m, 长3m, 大井内径0.33m, 长度1.5m, 调压室连接管内径0.2m, 长度1m) 所示。在不同的流态和流量比下进行数值模拟计算, 与文献[2]中试验数据进行对比。由图2可知, 随着分流比的Q2/Q1变化, ξ12、ξ13先减小后变大, 数值模拟曲线基本贴近经验值曲线, ξ12在0.2
2.3 CFD计算监测面位置与阻抗系数关系
在本文中, 根据文献[2]其CFD计算监测面设置在3~5倍管径距离处。简单调压室模型中结构简单, 通过数值模拟已经得出调压室内部速度场和压力场的变化, 而到管道3倍管径中趋于平缓, 故采用3倍管径作为其监测面进行数值模拟。但是带有连接管阻抗式调压室相对来说比较复杂, 对监测面的设置有不同的要求。故对其在分流流态下在进行数值模拟验证计算。由图3可以看出:阻抗式调压室设置对3倍管径和5倍管径分别设置监测面, 两者计算得出的调压室阻力系数与文献[2]比较, 由图3知, 相对于3倍管径与经验值的阻抗系数非常接近, 5倍管径监测面计算所得的阻力损失系数远远大于两者, 这也说明监测面位置的变化, 对阻抗系数存在影响。
2.4 连接管长度与阻抗系数关系
在研究连接管长度对阻抗系数影影响时, 四组调压室模型的连接管长度依次递增之外其余结构尺寸均与上述验证的有连接管调压室模型尺寸一致, 为了排除沿程损失的影响, 在进行CFD计算时, 管道内壁均考虑为光滑壁面。由图4可以看出, 在分流流态下, 不论连接管长度为0.1、0.2、0.3或者0.4m, 数值模拟计算得出的ξ12和ξ13都非常一致, 这说明在阻抗式调压室中, 连接管的长短影响调压室沿程阻力损失, 与局部阻力损失并没有关系。
4 结语
(1) 用CFD对两种典型调压室模型数值模拟, 与文献中试验经验公式对比分析, 两者数值较为吻合, 验证了CFD数值模拟在调压室阻力系数研究中的可行性。
(2) 在阻抗式调压室阻力系数数值模拟中, 比较了检测面在3倍和5倍管径时两者对数值模拟结果精度的影响, 结果表明:在阻抗式调压室模型进行数值模拟时两者差距很小, 一般选取3倍管径即可。
(3) 对连接管长度不同的四个阻抗式调压室模型分析研究, 在CFD计算中去除管道内壁粗糙度的影响, 结果表明:阻抗式调压室的连接管长度只是影响其内部管道沿程阻力损失, 与其局部阻力损失并没有关系, 故在实际的水电工程计算中, 可以只考虑沿程阻力损失根据现场情况对调压室连接管长度进行调整。
参考文献
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