泵站侧向进水前池几何参数优化

为了减少泵站侧向进水结构内的不良流态,提高泵组运行效率,基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）和响应面法（Response Surface Method,RSM）对泵站侧向进水前池进行几何参数优化。采用参数化设计对泵站侧向进水前池进行建模,通过与Workbench关联以对侧向进水前池的扩散角α、坡度β以及转向角γ实现指定值,采用典型Box-Behnke设计（Box-Behnke Design,BBD）方法得到17组三因素三水平试验方案,利用响应面法建立喇叭管出口断面流速分布均匀度与侧向进水前池扩散角α、坡度β以及转向角γ的回归方程,以最大出口断面流速分布均匀度为响应目标,确定最优参数组合,并将最优侧向进水结构的内部流动特性同原模型进行对比分析。研究结果表明,扩散角α、坡度β以及转向角γ对喇叭管出口断面流速分布均匀度具有显著影响（P<0.05）,扩散角α与转向角γ的交互项对出口断面流速分布均匀度耦合作用显著,扩散角10°~13°、坡度8°~9°、转向角74°~75°时喇叭管出口断面流速分布均匀度达到最优。同原模型相比,优化后的侧向进水结构在设计水位下,断面流速分布均匀度至少提高23.41个百分点,流速加权平均偏流角提高13.95°,在低水位下断面流速分布均匀度至少提高18.30个百分点,流速加权平均偏流角提高14.79°,流道内没有偏斜流和大面积回流产生。该研究对于促进泵站侧向进水结构的优化设计具有一定的参考意义。     

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。     

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。     

盐热联合示踪表征薄层水流剖面流速分布

坡面薄层水流流速是重要的水动力学参数之一，研究其分布规律对于理解坡面土壤侵蚀机理具有重要意义。该研究采用盐与热联合示踪的方法，对不同粗糙下垫面的坡面薄层水流流速进行测量，探究下垫面对薄层水流剖面流速分布的作用规律。在3种坡度（5°、10°和20°）下，以下垫面条件（有机玻璃、80目即0.16 mm砂纸和24目即0.53 mm砂纸）、流量（2、5和8 L/min）和示踪剂类型（盐和热）为试验因素，以每个坡长（2、3和4 m）处的水流流速为试验指标进行多因素间的完全试验。结果表明，当下垫面一定，水深为粗糙高度的2～4倍，且水流为层流流态时，盐与热联合示踪的方法可用于表征薄层水流的剖面流速分布；下垫面粗糙高度和水深对薄层水流剖面流速分布具有显著影响（P<0.05）。3种垫面下，2种示踪剂测得流速具有显著的线性相关关系，其线性拟合直线斜率分别为1.015、1.094和1.078，决定系数R²分别为0.892、0.824和0.760。随下垫面粗糙度增加，2种示踪剂测得流速差异呈增大的趋势；床面粗糙高度的增加，加大了对水流的扰动作用，增加了水流的紊动程度，进而影响盐与热2种示踪剂测量水流流速差异性。研究结果可为进一步理解坡面薄层水流的动力过程提供参考。     

泵站前置竖井进水流道三维湍流数值模拟与模型试验

为探求大型泵站竖井流道的标准化水力设计方法,对基于规则化设计的竖井进水流道进行了三维湍流数值模拟,研究9个不同工况下的流道内部流动特性,揭示不同水平截面和纵向截面的流速分布,分析水泵入口断面的速度分布均匀度、加权平均入流角以及流道水力损失随流量变化规律。结果表明:竖井进水流道流线平顺,水流均匀渐缩,无漩涡或脱流,流态良好;水泵入口断面的速度均匀度和入流角度随流量变化很小,其平均均匀度Vu=95.46%,入流角度?=87.94°;流道水力损失随流量增大而增大,但局部阻力系数随流量增大而减小。设计制作了透明模型进水流道,测得9个不同流量下的流道水力损失,比较了数模与试验结果,并观测流态。由模型进水流道的试验结果可得出,流道水力损失较小,局部阻力系数2?6.249 10???,未见不良漩涡,数值结果与试验结果基本吻合。开展了竖井流道模型泵装置的能量特性试验,测得5个叶片角度下模型泵装置Q-H、Q-P和Q-η曲线。试验结果表明,模型泵装置在特低扬程较大的范围内均具有较高效率,其中在叶片角-2°、装置扬程1.83 m时的最高效率可达80.52%。该研究可为大型泵站竖井流道的水力优化设计提供参考。     

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。     

重庆饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特性及临界条件试验研究

为比较饱和紫色土坡面片流与细沟流水力学特征并明确其临界水力学特性,进行5个坡度(2°,5°,10°,15°,20°)和3个雨强(30,60,90 mm/h)组合 条件下的室内人工模拟降雨试验,在测得坡面片流、细沟流及其转变的临界流速的基础上,计算得到片流、细沟流及其转变的临界水力学参数,包括水深、雷诺数、弗劳德数和达西阻力系数。结果表明:在不同侵蚀阶段,片流流速为0.064~0.151 m/s,细沟流流速为0.175~0.350 m/s,雨强和坡度在不同侵蚀阶段对流速和水深的影响程度存在差异。片流均为层流,＜10°坡时,片流为缓流,片流多居缓层流流态;中、大雨强条件下,细沟流均为过渡流,＞5°坡时细沟流均为急流,细沟流多为急过渡流流态。片流达西阻力系数与坡度和雨强呈负相关关系,细沟流达西阻力系数与坡度和雨强呈正相关关系。坡面径流由片流转为细沟流的临界流速为0.100~0.165 m/s。流速改变坡面形态,导致细沟侵蚀发生的临界水流流态和水流阻力随坡度和雨强变化的规律不同。研究结果对于认识饱和土壤条件下坡面不同侵蚀阶段径流水力学特性,进一步明确由片流转为细沟流的临界水力条件具有一定参考价值。     

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。     

喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对产流产沙过程的影响

为明确喀斯特槽谷区岩石与坡面夹角对坡面产流产沙过程的影响,在6个岩石与坡面夹角(30°,60°,90°,120°,150°,180°)、3个坡度(10°,15°,20°)和3个流量(5,7.5,10 L/min)组合条件下,开展室内放水冲刷试验。结果表明:(1)地表产流率随冲刷历时呈先增加后稳定的趋势,而含沙量和地表产沙率随冲刷历时均呈波动性减小趋势;(2)各岩石与坡面夹角下,地表产流率无显著差异(P＞0.05);但含沙量与地表产沙率均差异显著(P＜0.05),表现为含沙量和地表产沙率在60°夹角下与30°和120°夹角下差异不显著(P＞0.05),但显著高于90°,150°和180°条件下的含沙量和地表产沙率(P＜0.05);(3)地表产流率与含沙量在60°,90°,120°夹角下均呈显著幂函数正相关(R²=0.32~0.56,P＜0.05),而在其他夹角下二者关系不显著(P>0.05)。地表产流率与地表产沙率在60°,90°,120°,150°,180°夹角下呈显著线性正相关(R²=0.35~0.86,P＜0.05)。研究表明喀[JP]斯特槽谷区岩石与坡面呈一定夹角时,可加剧坡面产沙,并改变产流与产沙关系。     

半开式叶轮离心泵气液两相条件下内部流动特性分析

半开式叶轮离心泵输送气液两相流时,其性能经常随入流含气率（α）的增加而下降,主要由内部的气液两相不稳定流动造成。为解决传统欧拉双流体模型不能考虑气泡直径变化及气泡形变的问题,采用一种群体平衡模型（Musig模型）数值计算了某设计比转速为88.6的半开式叶轮离心泵在不同入流含气率下的内部流场,并进行了试验验证。研究结果表明：模型泵在1 000 r/min可输送液体的最大入流含气率为4.6%;α>3%以后,Musig模型由于能表征气泡形态及破碎与聚合过程等气液两相流演化规律,其外特性计算结果比欧拉-欧拉双流体模型准确,且与可视化试验流型测试结果较为吻合;α=4%时扬程系数和效率与试验结果的最大误差分别为1.6%和5%;随着入流含气率的增加,叶轮和蜗壳流道内逐步出现均匀泡状流、聚合泡状流、气穴流和分离流等流型分布,设计流量下α≤1%时以均匀泡状流为主,α=3%时以聚合泡状流为主,α=4%时以气穴流为主,α≥4.2%时出现分离流并逐渐堵塞流道;叶顶间隙是影响泵内气液两相流型分布的重要原因,叶轮流道中存在大尺度漩涡和出口回流现象,且随着含气率的增大越发明显,进而在高含气率区域引发较大的湍动能分布,加剧了泵内部的不稳定流动,最终导致α≥4.6%后的泵空转。该研究可为综合分析离心泵内部不稳定流动规律提供一定参考。     

基于均流板原理的通风墙型植物工厂循环送风系统设计与模拟

植物工厂是当前可控农业环境的最高形式之一,但植物工厂内温度、气流空间分布不均,不同栽培架之间存在一定温差、气流速度差。为解决气流植物工厂内局部环境因子差异大的问题,该研究对植物工厂进风口设置进行改进,在侧进上出气流循环模式下,借鉴均流板原理设计了一款全网孔通风墙型植物工厂,并通过计算流体力学软件(computational fluid dynamics, CFD)进行模拟,分析该类型工厂下温度、气流速度、CO₂浓度、相对湿度、适宜风速占比、空气龄、指定流线速度变化情况,以评价全网孔通风墙对植物工厂内局部环境差异的改进效果。该设计平均空气龄为7.5 s,是无全网孔通风墙条件下的1/9,空气更新效率有效提升。研究表明全网孔通风墙型植物工厂能有效提升植物工厂内环境因子分布均匀性。     

径向柴油机微粒捕集器流速分布特性数值分析

为了得到径向柴油机微粒捕集器内流速分布特性,该文利用流体计算软件对一种可旋转径向式微粒捕集器内流速分布特性进行了数值研究,考察了排气流速、管道直径比、扩张角及载体长度等参数对微粒捕集器内流速分布的影响规律。在入口气流流速50 m/s条件下,测量了微粒捕集器各计算截面内流速分布情况,并且与计算值进行了比较,最大误差为3.2 m/s,在允许范围之内。结果表明,降低排气流速、减小管道直径比与扩张角、增加载体长度均有利于提高微粒捕集器内流速分布均匀性。该研究对控制微粒捕集器再生过程、提高过滤体利用率及微粒捕集器使用寿命有重要意义。     

叶片低压边的轴面位置对高水头水泵水轮机空化性能的影响

水泵水轮机转轮叶片低压边相比其他部位更具有空蚀的危险性。首先基于低比转速混流式转轮设计程序,设计了3个具有不同低压边轴面位置的叶片。然后采用数值模拟方法对3个转轮分别进行了3个不同出力的水轮机工况以及3个不同流量的水泵工况的全流道定常数值计算,对比分析了各计算工况下转轮的能量特性、流动特征及空化形态。研究表明,在一定范围内,叶片低压边轴面位置前移可以改善大流量水泵工况下转轮叶片进口的脱流情况,从而提高大流量水泵工况的扬程和空化性能。低压边轴面位置的后移,使得水轮机设计工况和满负荷工况的水力效率降低,但是改善了水轮机大流量工况的空化性能;并且叶片低压边轴面位置后移可以改善小流量工况下叶片进口的来流均匀性,从而提高小流量水泵工况的空化性能。相比而言,低压边在上冠型线位置的直径与转轮直径之比为0.4998的第2种低压边位置转轮在水轮机和水泵2种工况下都表现出比较好的空化性能,满足设计要求。     

导叶式混流泵多工况内部流场的PIV测量

为研究不同流量工况下混流泵内部流动特性,该文基于粒子图像测速技术(particle image velocimetry)对0.8、1.0、1.2倍流量工况下混流泵的内部流场进行试验研究,测量获得了混流泵叶轮进口轴截面、叶轮与导叶间隙和导叶内部流场的速度场分布,分析了流量变化对混流泵内部流动的影响。研究结果表明,外特性试验重复性较好,试验结果较为可靠。3个工况下混流泵叶轮进口流场的速度分布趋势基本一致,进口的来流基本沿着轴线方向;随着流量增加,叶轮进口速度不断增大,最大速度达到7.49 m/s,从轮毂到轮缘高速区域速度梯度更为明显,速度等值线分布逐渐形成以左上角为圆心,不断向周围递减的趋势。受动静干涉作用影响,叶轮与导叶间隙流场速度分布较为紊乱,在导叶进口边轮毂附近形成逆时针方向旋涡,诱使叶轮出口流体向外缘侧偏转;随着流量增加,逆向旋涡明显减小,内部流动更趋于平稳。动静干涉效应进一步影响导叶进口流场并形成明显的旋涡结构,造成流道堵塞;在导叶出口由于环形蜗室的影响形成大尺度旋涡结构;随着流量增大,导叶外缘高速区向下游移动,导叶进出口的旋涡结构逐渐消失,流动损失减小。研究成果为揭示混流泵内部流动特性和优化混流泵设计提供参考。     

隔舌安放角对旋流泵内非稳态流动特性的影响

为明确舌安放角对旋流泵性能及非定常流动特性的影响,该研究设计了不同隔舌安放角的蜗壳模型,基于Navier-Stokes方程和RNG k-?湍流模型对旋流泵进行了全流场数值模拟,并通过能量性能和压力脉动试验对数值模拟方法进行了验证。能量性能预测结果表明,存在最优隔舌安放角使泵扬程和效率均达到极大值。流场分析结果表明,隔舌安放角对蜗壳隔舌及扩散段的流态具有较大的影响：较小的隔舌安放角会减小蜗壳喉部的过流面积,使无叶腔内流体的旋转运动受阻,致使循环流与隔舌的动静干涉作用增强;过大的隔舌安放角会造成扩散段产生大尺度的漩涡和回流。压力脉动分析表明,隔舌处压力脉动分布特征受安放角和测点位置共同影响：随隔舌安放角的增大,隔舌处的压力脉动先降低后增大,安放角由30°增大至45°时,2倍轴频（fn）的脉动最大降幅约47%,安放角继续增大至50°时,（0.25～0.5）fn的低频脉动最大增幅约86%;随着测点与叶轮轴向距离增大,隔舌处的压力脉动逐渐减小,叶轮一侧的脉动幅值约为泵体进口一侧的2倍。涡量场分析表明：蜗壳隔舌处频率为2fn的压力脉动由入口螺旋状入流发展扩散产生;隔舌处涡核分布的不对称性是导致蜗壳隔舌处压力分布不对称的原因。适当增大隔舌安放角能有效改善旋流泵隔舌处内流的稳定性,并一定程度提升旋流泵扬程和效率。综合各项性能表明该模型泵隔舌安放角45°时性能最优。研究结果可为旋流泵优化设计提供理论参考。     

泵站进水池超低水位下组合整流方案与验证

泵站在超低水位下运行时,将引起泵站进水水流流态恶化,危及泵站的安全稳定运行。为了解决这一问题,该文通过对黄河下游田山一级泵站在进水池超低水位下运行时存在的严重不良流态及其对机组造成的危害进行了分析,提出了在进水池设置导流台、水下消涡板和W型后墙导流墩的组合整流措施,应用三维数值计算方法对进水池的水流流态和该组合整流措施下的整流效果进行了数值模拟,并采用透明的进水池模型对数值模拟结果进行了检验。数值计算和模型试验结果表明:组合整流措施消除了进水池表面、池底、边壁的漩涡、回流以及死水区,进水池的水流流态和进水喇叭口的轴向速度分布得到了有效的改善。研究成果可为超低水位下运行的泵站提供参考。