不同形状的泵站封闭式进水池喇叭口水力性能模拟与验证

泵站封闭式进水池是泵站常用的进水建筑物,喇叭口距水泵叶轮室最近,其形状对水泵性能的影响最为敏感。基于定常不可压缩流体的控制方程和重整化群湍流模型应用SIMPLEC算法,定常模拟不同喇叭口形状的泵站封闭式进水池内水流流动。研究表明,喇叭口对叶轮的进水流态有重要的导流整流作用;过小的喇叭口会严重影响叶轮的进水流态,随着喇叭口逐渐增大,叶轮进口处的进水流态越好,水力损失越小;过大的喇叭口水力损失大,同时需加大池宽,增加了土建投资。喇叭口大小相同,口形1/4圆弧的喇叭口较口形为1/4椭圆的喇叭口,管内流速分布更均匀,流态越好,水力损失较小。计算结果与试验数据在设计工况点处吻合较好,相对误差仅为1.7%,表明计算结果可靠。基于研究结果,推荐工程中喇叭口形状采用1/4圆弧,圆弧半径为叶轮直径的1/3~1/2倍。     

大型泵站进水流场组合式导流墩整流效果分析

大型泵站前池和进水池经常存在表面旋涡和附壁涡,从而影响水泵运行稳定性。而由于大型泵站的尺度大,单一型式的导流墩很难改善这类泵站的进水流场。该文以广东省永湖泵站为研究对象,采用数值计算和现场测试相结合的方法,研究了组合式导流墩在改善大型泵站前池、进水池流态方面的效果,构建了由八字型导流墩、川字型导流墩和十字型消涡板相结合的组合式导流墩。三维流体动力学计算发现,组合式导流墩利用前端的八字型导流墩降低前池扩散角,减弱前池大尺度表面旋涡,借助后续的川字型导流墩调整流动均匀度,将水流均匀导入进水池,再通过水泵吸水喇叭管下部的十字型消涡板去除水泵吸水喇叭管周边的附底涡,提高流速分布均匀度,经计算喇叭管底面、水泵进口断面流速分布均匀度分别提高了7.8%、10.6%。实际测试表明,组合式导流墩将水泵最大压力脉动降低17.1%,将水泵振动由D区降低到C区,达到水泵技术标准规定的振动要求,保证了泵站的安全稳定运行。该研究对大型泵站建设提供了参考。     

非对称式闸站结合式泵站前池导流墩整流模拟及试验验证

闸站结合式泵站运行时,隔墩前池侧存在严重的不良流态,危害到进水流道进口断面的入流流态。该文采用数值模拟手段对前池内的流动进行预测,并对预测结果进行了试验验证。研究结果表明:原方案靠近隔墩的前池内有大尺度的回流区,该回流从隔墩处一直延伸到靠近流道进口前的横剖面,1#进水流道进口断面上的轴向速度分布较为均匀,呈现出上下、左右对称的趋势,高速区位于断面中心,5#生水流道进口断面上的轴向速度分布不均匀,高速区迁移到断面左侧。分别采取2种导流墩整流措施对前池流态进行调整,与原方案相比,这2种整流措施均能缩小回流区的范围,并改善和提高4#和5#生水流道进口断面上的流速分布和轴向速度分布均匀度。通过定量和定性地对比试验测试结果和数值预测结果发现,二者吻合性较好,数值预测结果得到了验证,这表明该数值计算过程是可靠的,其预测结果是可信的。     

基于BPNN-GA的泵站前池整流底坎参数优化

为了减少泵站进水结构内的不良流态,提高泵组运行效率,该研究基于计算流体动力学以及BPNN-GA(Back Propagation Neural Network-Genetic Algorithm)算法对泵站前池内底坎的结构设计参数进行优化。为便于计算遗传算法的适应度,在轴向流速分布均匀度和速度加权平均角基础上提出了前池水流流态的综合评价指标F。以综合评价指标F为目标参量,通过遗传算法优化训练好的BPNN模型,得出最优底坎结构设计参数,并同正交试验设计的最优方案的数值模拟结构对比分析。研究结果表明,在1、2、4号水泵机组运行情况下,相比于正交试验设计的最优方案泵站前池水流流态, 1号水泵进水流道的轴向流速分布均匀度提高了16.58个百分点,速度加权平均角增加了4.66°;2号水泵进水流道的轴向流速分布均匀度提高了0.49个百分点,速度加权平均角下降了2.81°;4号水泵进水流道的轴向流速分布均匀度提高了8个百分点,速度加权平均角增加了7.81°,综合评价指标F为1.16,表明前池流态得到较大幅度的提高。基于BPNN-GA算法对泵站前池整流底坎参数进行优化,克服传统方法陷入局部最优的缺陷,可在满足设计要求的范围内选出当轴向流速分布均匀度和速度加权平均角最优时的底坎设计参数,为计算智能在泵站优化水力设计方面提供参考。     

叶轮中心淹没深度对特低扬程下立式泵装置流道水力性能的影响

为提高特低扬程泵站立式轴流泵装置的水力性能,该研究对叶轮直径为3.0、2.5、2.0、1.5 m的立式轴流泵装置在不同叶轮中心淹没深度下的进、出水流道流场分别进行了三维湍流流动数值计算,并对流道流场和水头损失进行了分析比较;对某特低扬程泵站在叶轮中心淹没深度为3.08、2.38、1.68 m下的立式轴流泵装置水力性能分别进行了数值计算及比较,并进行了泵装置模型试验验证。研究结果表明：叶轮中心淹没深度对肘形进水流道的水流流态及水头损失的影响很小,但对虹吸式出水流道的流态和水头损失影响较大;随着叶轮中心淹没深度的增大,虹吸式出水流道内的流态逐渐改善,流道水头损失基本呈下降趋势,泵装置效率逐渐增大,特低扬程工况下泵装置模型试验最优工况点的效率达75.92%,泵装置能量性能数值模拟结果与模型试验结果基本一致。研究结果可为特低扬程泵站采用立式泵装置的设计提供一定参考依据。     

湍流模型在泵站进水池漩涡模拟中的适用性研究

泵站进水池表面漩涡、附底漩涡和附壁漩涡是影响水泵装置稳定运行的重要因素,为研究不同湍流模型在进水池漩涡模拟中的适用性,分别采用标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型和Realizable κ-ε模型3种湍流模型对进水池流场进行了数值计算,得到了进水池内漩涡位置及强度信息,并与试验进行了对比分析.结果表明,Realizable κ-ε模型对进水池表面涡、附底涡和附壁涡的位置和形状预测比较准确,对漩涡的切线速度和环量的预测也与试验值更为接近.为泵站进水池的水力设计与结构优化具有指导作用.     

排水泵站整流底坎参数优化

排水泵站进水建筑物内易产生回流、漩涡等不良流态,底坎作为常见的整流措施,其体型及布置位置优化时通常依据工程经验进行调整,导致整流效果难以达到最优。为优化底坎整流措施体型及布置参数,该研究以整流底坎的坎高、坎距参数为设计变量,采用信息量权数法将水力损失系数、流速不均匀系数和喇叭口涡量特征值3个评价指标加权形成综合目标函数,并以该目标函数作为优化目标,利用响应面模型进行优化设计分析。结果表明:整流底坎坎高及坎距变量对进水建筑物流态耦合作用大,优化后的底坎显著改善了排水泵站进水建筑物内的流态,其流速不均匀系数减小19.28%,计算域水力损失系数减小5.26%,喇叭口涡量特征值降低了5.76%;采用信息量权数法可以解决泵站水力特性多目标优化问题;基于响应曲面模型的优化设计方法可应用到泵站整流措施参数优化。     

开机组合对泵站进水系统泥沙浓度分布的影响

针对泵站来流含沙条件下不同开机组合对进水系统泥沙浓度分布的影响问题,该研究开展了基于欧拉-欧拉算法的大型泵站进水系统固液两相流数值分析。首先,为了定量描述泥沙对流场均匀性的影响,对比分析了清水和浑水情况下进水流场的流速分布均匀度和回流系数,发现质量浓度10 kg/m3且粒径为25 μm的泥沙会使进水流场内的同轴漩涡变成沿水深方向更大尺度的螺旋状漩涡,进水池内的回流系数增长20.6%,流速分布均匀度下降8%。其次,通过对不同开机台数和机组组合方式下进水系统内泥沙浓度分布的对比分析,发现前池和进水池两侧边壁附近泥沙浓度最高,与引渠等宽的中心区域泥沙浓度最低,两侧边壁的泥沙浓度随开机台数的减少而增大,边机组不运行会破坏流场的对称性并在边机组与边壁区域形成死水区或漩涡区,增大泥沙浓度;基于开机组合的多工况分析,建立来流速度与流场内泥沙沉积效率的二次多项式模型。最后,开展了泥沙浓度与速度之间的相关性分析,发现泥沙浓度与横向速度平方呈幂函数关系,当泥沙粒径为25 μm且质量浓度为10 kg/m3时,进水流场的不淤速度为0.421 m/s,并且不淤速度随开机台数的减少而降低。研究结果可为含沙泵站进水系统防淤措施设计提供依据。     

肘形进水流道对立式轴流泵水力性能影响的数值模拟

为定量研究肘形进水流道对轴流泵水力性能的影响，实现性能预测，该文采用雷诺时均N-S方程和标准 紊流模型，数值模拟了某肘形进水流道和轴流泵联合运行时的三维流场，获得了水泵的流量～扬程曲线、流量～功率曲线和流量～效率曲线，并与设计进水条件下的水泵性能进行了对比。在该肘形进水流道提供的进水条件下,在计算流量范围内，泵的扬程和效率分别平均下降约8.62%和5.74%，轴功率平均增加约3.56%，最优工况点效率降低了5.99％，流量减少了8.59％。通过5个肘形进水流道设计方案的计算对比发现，流道出口水流的偏流角与水泵性能的发挥密切相关，在相同流量下，水泵效率差值达4.34%。因此，为确保水泵高效、安全地运行，应重视进水流道水力设计优化和面向对象的水泵设计，改善水泵进水条件，减少进水流道对水泵水力性能的影响。     

泵站正向进水前池扩散角对池内流场结构的影响

针对从多沙河流取水的大型泵站进水前池内水流流态较差,易在池内产生大尺度回流区域,导致泥沙严重淤积等问题,该研究以甘肃省景泰川电力提灌工程典型泵站的正向进水前池为研究对象,构建不同扩散角体型结构的正向进水前池三维模型,基于Mixture多相流模型和Realizable k-ε模型开展数值模拟计算,阐明了正向进水前池流场结构特征,提出了有效改善正向进水前池流场结构的扩散角范围。结果表明：泵站机组全开时,正向进水前池内流场结构对称分布,在进水前池中央形成主流区,两侧形成回流区,中央主流区域水流流速远大于两侧回流区,主流效应显著;随着扩散角的减小,两侧低流速区面积减小,主流区域流速呈下降的趋势,区域宽度呈现增加的趋势,进入前池的水流扩散效应增加明显;扩散角在25°～30°之间时,入池的水流沿流程发展和扩散较为充分,有效改善多泥沙河流引水泵站前池的泥沙淤积,研究成果可为同类泵站的设计和更新改造提供指导和参考。     

螺旋离心泵内回流涡空化特性

为了研究回流涡空化特性,对一台螺旋离心泵内部的空化流动进行了可视化研究,在一定的工况下该泵内部发生了回流涡空化,捕捉到了不同流量下螺旋离心泵内部回流涡空化形态,发现回流漩涡空化中存在2个旋转的空化云,并且随着流量的减小,回流涡空化云体积逐渐减小;对该泵进行了数值模拟,发现随着流量的减小,泵进口外部形成的回流区域变小,从而导致回流涡空化云体积逐渐减小。该文对螺旋离心泵内回流涡空化体积演变机理的深入研究提供了参考。     

基于导流方法的真空吸鱼泵改进与试验

针对真空吸鱼泵起捕过程中存在鱼体损伤和起捕效率低的问题，该研究对集鱼罐的结构和吸鱼泵的工作方式进行改进。进鱼管穿过集鱼罐底进入集鱼罐内部，在进鱼管的顶部设置倒置的喇叭状导流结构，起捕时，鱼水混合物进入集鱼罐后分离，鱼留在集鱼罐内，水被排出集鱼罐。以鱼水比1:1时的数据做比较基准，当鱼水比分别为1:2、1:3、1:4、1:5时，经计算，输送相同质量的鱼，改进吸鱼泵用时比真空吸鱼泵分别减少20.4%、30.6%、36.8%和40.8%。开展真空吸鱼泵和改进吸鱼泵吸水过程的数值模拟分析并进行试验验证。结果表明，与真空吸鱼泵样机相比，改进吸鱼泵的集鱼罐内涡流不明显，输送能力不随鱼的提升高度而变化；改进吸鱼泵的输鱼友好性更强，鱼体无损伤。研究结果可为大型鱼类起捕装置设计提供理论依据和参考。     

侧渠底高对分水口水力特性影响数值模拟研究

目前对灌区分水口水力性能的研究多集中在主渠和侧渠底部高程相等的情况下,对于普遍存在的侧渠底部高程高于主渠时的分流特性缺乏系统研究。该文在试验基础上,利用FLOW-3D软件对侧渠不同底高、主渠来流量的矩形渠道分水口进行了数值模拟研究,将主渠各断面水深、流速的模拟值与实测值进行对比,发现流速变化与实测值变化规律基本一致,相对误差均小于10%,利用FLOW-3D对分水口进行数值计算具有合理可信性。结果表明：分水口处的水面波动受主渠来流的影响,流量越大,波动越大;高于侧渠底高的水流会对低于侧渠底高的下层水流产生影响,使下层水流具有向上的流速分量,参与分水口分流;同一主渠来流量下,随侧渠底高的增加,侧渠进口断面最大流速和水深逐渐减小;侧渠进口断面靠近上游端的区域湍动较大,而在下游端靠近底部湍动能值较小。研究为灌区配水及水量控制提供了参考依据。     

前伸式双叶片污水泵内部流场PIV试验

以一台比转速为70的前伸式扭曲双叶片污水泵为研究对象,采用PIV(particle image velocimetry)技术对双叶片污水泵进行内部流场测量,分析了该泵在不同流量工况下(Q/Qdes=0.4、0.6、0.8、1、1.2、1.4)叶轮内部流场的相对速度分布,研究了轴向旋涡和低速区随流量变化的形态特性,发现在流道中部靠近叶片工作面上存在低速区及与叶轮旋转方向相反的轴向旋涡,且随着流量的增大,低速区与轴向旋涡逐渐减小;引入少叶片数离心泵内部流动理论,揭示了低速区和轴向旋涡存在和发展的内在机理。分析了在流量Q/Qdes=0.6时叶轮和蜗壳不同相对位置的相对速度场分布,研究了叶轮和蜗壳之间动静干涉作用对轴向旋涡的影响,发现当轴向旋涡经过蜗壳隔舌时,其与叶轮之间的干涉作用使得轴向旋涡向下游偏移。研究结果对前伸式扭曲双叶片污水泵的内部流动规律研究具有重要参考价值。     

箱涵式进水流道的立式轴流泵装置水动力特性分析

为了研究有涡时箱涵式进水流道的立式轴流泵装置水动力性能,该文采用CFD(computational fluid dynamic)和高速摄影技术对箱涵式进水流道的立式轴流泵装置进水流道内部附底涡流动特征及其对泵装置水动力性能的影响进行了分析。数值模拟和试验结果表明,基于CFD数值模拟技术,成功捕捉到各工况时箱涵式进水流道内部附底涡轨迹,与高速摄影捕捉到附底涡的运动轨迹较为一致,且均发生于喇叭管口下方,附底涡对泵装置的安全运行稳定性有直接影响。有、无消涡锥的箱涵式进水流道出口断面的轴向速度分布均匀度与速度加权平均角的差异性较小,但其水力损失值下降较大;叶轮所受轴向力相对比值m1在0～7.0%范围内波动,轴向力随流量系数的增大而减小,附底涡对叶轮所受径向力的影响较大,径向力相对比值m2在5.0%～110.0%范围内波动,涡带对叶轮受力有一定程度的影响,实际工程中应避免箱涵式进水流道内部涡带的出现。     

考虑河道输水损失的大型泵站系统运行优化

大型泵站前池水位变化频繁且变化幅度较大时,机组经常偏离高效区运行,造成能源浪费。泵站系统中除了主机组、辅助设备和输变电设施消耗能量外,河道的输水水量损失和水力损失也综合成泵站所抽提水体的水能损失,进而影响泵站的运行性能。根据水源水位变化,在调水目的地水位一定的情况下,考虑河道输水水力损失与水量损失,首先分别确定调水目的地需要流量与泵站抽水扬程、抽水流量之间的关系,避免了优化计算过程中水位的重复迭代,极大减小了计算量与计算时间。以长江三江营最大潮差、平均潮差、最小潮差3个典型日为例,在南水北调东线淮安站站下水位及需要流量一定的情况下,以系统日运行费用最少为优化目标,建立优化模型,并采用模拟退火-粒子群算法(SA-PSO,simulated annealing-particle swarm optimization)求解,计算结果表明,与水泵设计角度运行方案相比,泵站系统实施变角优化运行,其运行费用可分别节约0.62%~2.26%、0.33%~3.26%和0.22%~0.83%。     

微灌离心分离器内部流场分布数值模拟

在缺水地区,利用高含沙水作为微灌水源的条件下,低浓度混合多相流模型已不能适用于微灌用离心分离器的数值模拟。该文以高含沙水作为微灌水源,结合离心分离器的结构参数,在流体力学基本方程基础上,通过网格划分和边界条件设定,采用有限体积法进行离散和求解,控制方程采用k-ε模型模拟分析了离心分离器的内部流场特征,并通过试验验证数值模拟成果,模拟值与试验实测值相对误差在10%以内,说明数值模拟采用的算法和模型是合理的。在试验验证的基础上,模拟分析了高含沙水为微灌水源的条件下,离心分离器的速度、湍动能以及静压分布,结果表明:离心分离器内速度分布主要有切向速度、轴向速度和径向速度,沿径向方向具有一定的对称性;离心分离器内湍动能分布具有一定的对称性,由轴中间向器壁两侧逐渐变小;静压分布具有一定的对称性性,由器壁两侧向轴中心逐渐减少。结果可为微灌用离心分离器特性参数的优化提供依据。