基于流道进流指标分析的大型泵站进水池优化调度研究

大型泵站多台机组共用进水池,不同机组运行组合时进水池内流态不一,泵站流道进口的水流条件也有所区别,较优的调度方案可避免较差的进流流态从而保证泵站机组运行的稳定性及效率。结合某大型泵站工程,建立进水明渠、箱涵、进水池及进水流道三维数学模型,并以流道进口断面流速均匀度和流速加权平均偏流角为进流指标函数对不同机组组合运行时的进水池内流态及流道进口进流条件进行研究。研究表明:不同开机组合时,泵站进流条件存在一定的区别,并主要体现在流速加权平均偏流角。在开启相同机组台数情况下,机组相邻运行较间隔运行更优,中间机组运行较2侧机组运行更优。根据全组合试验研究提出了不同机组运行数量时的较优组合方案。研究成果可供类似工程参考。     

小型闸站式侧向泵站进水流态数值模拟研究

基于RANS方程和RNG k-ε湍流模型,开展了某小型闸站式侧向进水泵站进水流态的数值模拟研究,并针对原方案进水池内存在的不良流态提出了3种不同的整流措施,观察了各进水池流态,分析了进水池泵前纵剖面轴向速度分布均匀度、速度加权平均角和轴向平均流速.计算结果表明:原方案下,1#—3#进水池存在大范围的回流区,回流区由进水池进口延伸至进水管前端,流态极差;布设翼型导流板或J型导流墩,1#进水池回流区大面积减少,2#和3#进水池回流区消失;J型导流墩和翼型导流板组合措施的整流效果最优,进水池大面积的回旋区消失,所选纵剖面轴向速度分布均匀度提高了12.2%,水流流态均匀对称.研究成果可为同类泵站进水池的流态改善提供参考.     

侧向泵站进水前池流态数值计算与优化

为了优化侧向泵站进水前池流态，消除不良流态对水泵吸水的影响，采用数值计算对某泵站进水池流态进行了分析，在此基础上提出了在进水池进口处布置不同尺寸导流栅的整流方案，分析了整流后的进水池流态。通过结果可知，布置导流栅后达到了相应的整流效果，能让流束通过导流栅格栅较为平顺流入进水池内，改善1～4号进水池内的偏流现象，给水泵创造良好的吸水条件。综合比较各方案计算结果知“3+2”型组合布置形式可使得5个进水池流速不均匀系数趋于稳定，并且与原方案相比流速不均匀系数均有所降低，整流效果明显。     

泵站前池与进水池整流数值模拟

针对田山一级泵站采用闸门控制前池与进水池水位形成了闸下射流的引水特点,提出了改善前池与进水池水流流态的整流工程措施.采用雷诺时均N-S方程,结合标准k-ε湍流模型,对整流前后的前池与进水池水流流态进行了数值模拟,计算中不考虑泥沙对水流运动的影响.结果表明,采用非连续底坎、非连续挑流坎与压水板等3种整流措施相结合的方式后,前池与进水池的闸底射流长度明显变短,表面回流基本消失,断面流速分布趋于均匀,且前池与进水池底部及水泵进口附近的流速明显减小.现场试验也表明,在实施整流措施后,在两种运行工况下,泵站装置效率分别提高了1.82%和5.96%,机组振动幅度分别下降了21和52μm,且池内泥沙淤积基本消除.     

异向流斜管沉淀池水力特性研究

异向流斜管沉淀池在现有的文献上没有类似的可供计算水头损失的公式和系数,在设计时取值困难。以计算流体力学软件FLUENT为平台,采用标准k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,采用速度进口与自由出流边界条件以及按无应力边界条件处理的自由水面对异向流斜管沉淀池中的水流运动进行数值模拟计算,对水流流态、断面流速分布与压强分布等水力特性进行了研究。基于数值模拟计算得到了沉淀池的水头损失,与实际工程测量结果吻合较好,找到了一种沉淀池水头损失的计算方法。     

高含沙水泵站侧向进水前池试验与分析

泵站前池扩散段较短,来流进入前池后,水流难以均匀扩散,易形成回流、旋涡等不良水流态,从而影响水泵效率,造成能源浪费。通过水工模型试验,观测多泥沙河流引水工程泵站"紧缩式"侧向进流前池不同水沙条件、不同工况下泵站进口流态、流速分布、前池的淤积形态。相同条件下前池宽度越大水流流态越好,前池宽度为3 m时,水面波动范围-0.3～0.3 m,局部有非贯通表面回流漩涡,最大直径0.5 m左右;在相同水沙条件下,前池宽度与淤积量表现出正相关的关系。结合试验结果,提出改善前池流态、提高泵站效率、降低泥沙淤积的泵站"紧缩式"侧向进流的优化体型,为设计单位进一步优化比选提供了借鉴。     

城市取水泵站进水池进水流态的改善

在介绍城市取水泵站进水建筑物布置特点的基础上,结合上海市长江引水三期工程取水泵站水力模型试验,针对单台泵运行和多台泵组合运行等多种运行条件,对进水池表面流态和典型过流断面流速分布进行了量测;并据此分析了进水池产生主流居中,底坎附近和底坎前区域产生回流区,进水流道前产生由池壁流向中间机组的斜向流,以及在边机组进水流道进口处产生间歇性漩涡等不良流态的原因。提出了取消底坎,在进水池扩散段设置八字形导流墩和边机组进水流道前设置消涡板等改善不良进水流态的措施。试验结果表明:改善措施可以有效地改善进水池进水流态,提高水泵运行工作效率。     

卧式前轴伸泵装置流道三维流动及水力损失

采用数值计算方法对卧式前轴伸泵装置的三维流场及水力性能进行了初步研究,获得了设计流量时进、出水流道的流场图以及水力损失值.同时,还采用透明流道模型试验的方法,分别对卧式前轴伸泵装置进、出水流道数值计算的结果进行了试验验证.研究结果表明：卧式前轴伸泵装置进、出水流道内的流态,数值计算的结果与试验结果一致,进水流道内的水流仅在泵轴后有很小范围的局部旋涡,进水流道出口断面的流速均匀度为96.9%;出水流道进口的水流具有一定环量,水流呈螺旋状流入流道,流道外侧的流速较大,流道中心附近流速较小.进、出水流道水力损失值,数值计算值分别为0.142 m和0.163 m,流道模型试验值为0.137 m和0.168 m,两者非常接近.该泵装置在低扬程泵站具有一定的应用前景.     

泵站肘型进水流道模型试验研究

根据泵站要求设计了一种新型结构的肘型进水流道,按欧拉相似准则进行模型试验,试验装置采用开敞式进水前池,流道进口不带泵,采用在试验管道上增设循环泵提供所需流量。分别进行了水力损失、流动轨迹和水面漩涡试验,最大流量工况点模型试验的水力损失为0.059mm。经相似换算,得到实型流道的水力损失为0.059 m,损失较小。流动轨迹的模型试验显示流态曲线光滑,没有突变、脱流、涡带等局部损失等现象发生。最低运行水位、最大流量工况下对进水池水面漩涡试验,显示出现了2型水面漩涡,不会对循环水泵产生不良影响。试验结果表明,该肘型进水流道综合性能优良。     

泵站进水系统三维水动力特性数值模拟研究

【目的】研究泵站进水系统结构对水泵进水流场的影响。【方法】基于Fluent平台,假定水流为不可压缩湍流流体,在满足连续方程和动量方程的基础上,引入RNGk-ε紊流模型,对改造前后泵站进水系统进行了数值模拟,采用适于稳态流场的收敛速度更快的SIMPLEC算法,利用有限体积法进行空间离散求解,分析了不同断面的流场流速、流速旋角及流线分布,对比分析了改造前后泵站进水系统的水动力指标。【结果】改造方案各水动力指标均小于改造前方案,进水池流速标准差减小了6%～64%,进水管进口流速标准差降低了41%～96%,平均流速旋角减小了60%～73%,流速旋角标准差降低了59%～72%,水流流态分布趋向均匀,水泵进水条件明显改善。【结论】改造后泵站进水系统流速分布较均匀,流态趋于平稳,对减轻泵站机组汽蚀破坏有重要意义。     

基于CFD的泵安装位置对一体化泵站水力特性影响研究

【目的】探究一体化泵站不同水泵安装位置对其内部流动特性以及水力性能的影响。【方法】以2个左右对称安置的潜水轴流泵为研究对象,在流速为198 m^3/h条件下,基于CFD分析泵安装中心距L、2台泵间距S等关键位置参数对一体化泵站流动特性影响。【结果】由于集水池内水流不对称和泵吸水影响,泵I与泵II的水力效率、泵进口流速均匀度有一定差异,其中泵I水力效率较泵II高4%左右,泵I进口流速均匀度较泵II高1%~4%。一体化泵站2台泵中心距的改变对水泵水力效率影响较小,而对泵吸水均匀性影响较大。一体化泵站2台泵间距的改变对水泵的水力效率影响较大,而当泵间距达到一定值后对泵吸入均匀影响较小,但集水池内流态随之更加恶化。【结论】在该一体化泵站背景下,建议安装2台泵的一体化泵站中心距L推荐值0.4 R,泵间距S推荐值0.6 R。     

电动机前置和电动机后置潜水贯流泵装置水力性能比较

为了推动潜水贯流泵装置在低扬程泵站中的应用,提出了电动机前置的新型潜水贯流泵装置型式.基于某大型潜水贯流泵站的设计参数,分别设计了电动机前置和电动机后置2种型式的潜水贯流泵装置方案,采用数值模拟方法对这2种型式潜水贯流泵装置的三维流场分别进行数值计算和分析,预测泵装置的扬程和效率,并比较其水力性能和结构特点.结果表明:这2种型式潜水贯流泵装置的进水流道内水流收缩都平缓均匀、流线层次分明,电动机前置方案出水流道内水流扩散平缓且无旋涡或其他不良流态,电动机后置方案出水流道内主流偏向流道扩散段右下侧并在左上侧产生旋涡;电动机前置方案的流道水头损失小、泵装置效率高,水力性能优于电动机后置方案;电动机前置方案的潜水电动机密封更可靠、电动机支撑结构更合理、水泵导叶体的水力设计更成熟.潜水贯流泵装置应优先采用电动机前置方案.     

导流锥型式对低扬程泵站水力性能的影响

为了研究导流锥型式对低扬程泵站水力性能的影响,以新开河口泵站的低扬程轴流泵装置为例,设计了直线锥、双曲线锥、抛物线锥、圆弧锥和椭圆锥等5种导流锥型式,并采用CFD方法对轴流泵装置进行了全流道三维流场计算.研究发现,导流锥对泵站水力性能影响较大.5种型式导流锥均可消除进水池内附底涡.当采用直线锥、双曲线锥、抛物线锥和圆弧锥时,进水池均出现了1个侧壁涡和2个表面涡.而加设椭圆锥以后,池内只存在1个侧壁涡和1个表面涡,与未加导流锥相比减少了旋涡数量.不同导流锥对水力损失影响较大,采用椭圆锥所计算的水力损失最小,而其他导流锥方案的水力损失大于无导流锥方案.对出口流场均匀性进行比较,综合考虑轴向速度分布均匀度和速度加权平均角度等2个指标,椭圆锥的整流效果最好.最后对水泵装置效率进行分析,发现采用椭圆锥可显著提高水泵装置效率.     

叶片角度对输水泵站泵装置水力性能影响分析

为研究输水泵站泵装置水力性能受叶片角度变化的影响,采用CFD方法模拟全流道泵装置水力性能,分析设计流量工况下叶片角度变化对进水流道、出水流道流动及叶轮内部流动特性和水力性能的影响.结果表明:在设计流量工况下,叶片角度偏离设计工况角度,叶轮进口近轮毂区存在回流、脱流;叶片角度偏离设计工况角度越大,进水流道、出水流道内水流流态越差,水力损失越大.当叶片角度调节为-8°工况时,与叶片角度-0°工况比较,进水流道和出水流道水力损失相对值最大,分别为1.28和2.89.即叶片同等偏离角度下,出水流道水力损失增大幅度较进水流道更加明显.对比数值模拟结果与模型试验结果得出,在设计流量工况,叶片角度为0°时,扬程相对误差为1.2%,效率相对误差为2.1%,两者吻合较好.     

基于Pareto最优解的跨流域调水泵站多目标优化运行研究

[目的]探究跨流域调水泵站多目标优化运行.[方法]以泵站提水费用最小及站内机组间流量不均匀度最小为目标,以调水周期内各时段各机组叶片安放角为决策变量,本文建立了泵站多目标优化运行非线性数学模型,提出了基于Pareto最优解理论求解的多目标遗传算法.以南水北调东线源头江都4站为研究实例,考虑峰谷分时电价影响,开展了不同日...     

侧向进水泵站进水池流态改善措施研究

【目的】研究水泵进水池的流态对水泵进水条件的影响。【方法】结合南通地区某侧向进水泵站,利用CFD数值模拟了该泵站工程潜没式进水池的流态状况。【结果】在进水池内添加隔墩、立柱等整流措施,可以改善进水池的流态,为吸水管创造了良好的进水条件。【结论】研究成果为同类泵站工程进水池的改造提供一定的参考价值。     

邳州站竖井式贯流泵装置模型试验研究

根据南水北调东线一期工程邳州站建设的需要,在该站进出水流道优化水力设计研究的基础上,对前置竖井式贯流泵装置进行了泵装置模型试验研究。结果表明,经过优化水力设计的前置竖井式贯流泵装置试验方案SJGL—2010-01和SJGL—2010-02的主要工况点泵装置效率分别超过了82%和83%,泵装置临界空化余量NPSHc均优于5m;前置竖井式贯流泵装置不仅具有投资较少、结构较简单、安装维护方便等优点,而且水力性能优异,在低扬程泵站具有十分广阔的应用前景。     

抽水蓄能电站引水岔管水力特性数值模拟

通过对某抽水蓄能电站在不同工况（抽水或发电）、不同分流比（单台机或多台机运行）情况下引水岔管的水力特性进行三维数值模拟计算,采用非结构化网格离散计算区域,使用有限体积法将方程的积分形式转化为代数方程组,为保证计算精度,采用二阶迎风格式,隐式求解,速度和压力方程用SIMPLE算法耦合．分析了各工况下岔管处水头损失变化和水流流态情况．结果表明,计算结果与试验较吻合,由于夹带不同能量水流汇合后“能量相互传递”,抽水工况水头损失出现了负值,发电工况流态好于抽水工况流态;分流（发电）水头损失较大,合流（抽水）水头损失较小,为机组运行方式的选择提供了依据,可使岔管能量损失降低到最小程度．     

大型箱涵式泵装置优化设计与试验

为了研究箱涵式泵装置进、出水流道的水力性能,采用了基于CFD数值模拟计算和模型试验的DOE正交设计试验方法。对进、出水流道进行三维参数化建模,以进水流道出口断面速度均匀度和水力损失为目标函数,针对进水喇叭管、导水锥和出水喇叭管、出水导流墩控制尺寸进行五因素四水平的正交试验设计。通过CFD数值模拟手段,针对设计流量工况点,分别对进水流道和出水流道各16个设计方案进行数值模拟计算,分析不同控制尺寸对进、出水流道水力性能的影响。最后通过模型试验对优化方案数值计算结果进行可靠性验证。数值模拟和试验结果表明,通过DOE正交设计方法进行进水流道优化设计,可以得到各控制参数对进水流道水力损失和出口断面均匀度的主次影响,进水流道最大水力损失达到8.56 cm,最小水力损失为3.91 cm,优化方案水力损失为3.65 cm,出口速度均匀度达到93.07%,较初始方案水力损失降低了1.31 cm,出口速度均匀度提高了1.17个百分点;出水流道最大水力损失为46.07 cm,最优组合出水流道水力损失为32.53 cm,较原始方案水力损失减小了7.96 cm。根据泵装置全特性曲线可知,该泵装置出水流道水力损失在设计工况下最小,最高运行效率达到70.04%,最高运行扬程为4.0 m,在设计扬程1.36 m时,效率为66.82%,对应流量为34.31 m3/s。模型试验最高运行效率达到71.5%,在设计扬程1.36 m时,试验运行效率在64%左右,与数值模拟结果吻合较好。