大型泵站虹吸式出水流道优化水力设计

采用三维紊流数值模拟的方法,揭示了大型泵站虹吸式出水流道内的三维流动形态;提出通过建立虹吸式出水流道几何模型并借助三维紊流数值模拟的方法,逐一改变流道几何尺寸、观察流态变化、逐步优化流道型线,以最终实现虹吸式出水流道的优化水力设计;通过专门设计的模型试验,验证了虹吸式出水流道优化水力设计的效果。     

大型泵站虹吸式出水流道水力特性分析

分析了影响虹吸式出水流道水力特性的主要设计参数，在数值模拟流道内部三维流动和定性分析流道内部流态的基础上，建立了虹吸式出水流道水力特性评价指标体系。通过分析2个设计方案虹吸式出水流道的流场，定量比较驼峰和出口断面的流速分布均匀度和流道水力损失，客观评价虹吸式出水流道的水力特性，为实现水力设计优化提供了可靠依据，可有效地节省物理模型试验费用和时间，提高水泵装置效率。     

大型泵站虹吸式出水流道水力特性

分析了影响虹吸式出水流道水力特性的主要设计参数，在数值模拟流道内部三维流动和定性分析流道内部流态的基础上，建立了虹吸式出水流道水力特性评价指标体系。通过分析2个设计方案虹吸式出水流道的流场，定量比较驼峰和出口断面的流速分布均匀度和流道水力损失，客观评价虹吸式出水流道的水力特性，为实现水力设计优化提供了可靠依据，可有效地节省物理模型试验费用和时间，提高水泵装置效率。     

轴流泵装置虹吸式出水流道内流机理数值分析

为研究轴流泵对虹吸式出水流道内部流动特性的影响机理,采用CFD(Computational fluid dynamic)方法对虹吸式轴流泵装置进行全流道的数值计算,在考虑了轴流泵与虹吸式出水流道内流相互影响的条件下定性地分析了虹吸式出水流道的流场特征,定量地研究了导叶体出口剩余环量和流量对虹吸式出水流道水力损失的影响,给出了相应的数学关系模型,并将泵装置性能预测结果与模型试验结果进行了对比。结果表明:受导叶体出口剩余环量和流量的双重作用虹吸式出水流道内部流态差异较大,虹吸式出水流道的水力损失主要集中于驼峰断面前的过流通道。各工况时虹吸式出水流道驼峰断面的速度加权平均角的均值为52.34°,不同工况时速度加权平均角变化范围仅在0.1°~2.3°之间。随流量系数的增大,驼峰断面的轴向速度分布均匀度逐渐增大,导叶体出口剩余环量则先减小后增大,在高效工况范围内导叶体出口剩余环量存在最小值。导叶体出口剩余环量通过影响虹吸式出水流道内部流态而对出水流道水力损失产生影响,虹吸式出水流道的水力损失与流量未呈二次方关系。     

中隔墩对大型泵站出水流道水力性能的影响

为了研究中隔墩对大型低扬程泵装置出水流道水力性能的影响,借用某泵站的有关参数,采用三维数值计算的方法,将出水流道从泵装置中分解出来,计算了出水流道内的流态和水力损失;设置中隔墩会使设计流量时的虹吸式和直管式出水流道的水力损失分别增加0．024m和0．033m;采用透明流道模型试验的方法对数值计算的结果进行了验证,模型试验结果与数值计算结果基本一致;根据计算和试验结果研究了中隔墩对虹吸式和直管式出水流道水力性能的影响．研究结果表明：由于水泵导叶出口水流具有环量,出水流道内的流态存在较为明显的偏流现象,流道的水力性能在一定程度上受到中隔墩的影响;中隔墩愈长,出水流道水力性能所受的影响愈大．因此,设置中隔墩无益于出水流道的水力性能．对于大型低扬程泵站,可在满足出水流道结构设计的条件下取消中隔墩或采用较短的中隔墩．     

泵站虹吸式出水流道优化设计

对虹吸式出水流道的型线进行数学建模的基础上,开发了基于流道参数的优化设计软件,该软件能够快速进行流道型线的绘制,并能使流道的型线自动符合流速渐变的原则.结合三维紊流数值模拟对流道内流场进行三维空间的仿真,检验了流道的水力性能.建立了以虹吸式出水流道水力损失为目标函数、驼峰断面位置为求解变量的最优化问题数学模型,求解结果表明：当驼峰位于流道进口的正上方,即进口弯管段变为近似直管时,整个虹吸式出水流道的水力损失为最小.说明在设计虹吸式出水流道时,在泵站结构布置允许的条件下,驼峰的位置应尽可能向流道进口方向靠近,以减小出水流道的水力损失,提高泵装置效率.     

大型泵站出水流道三维流动及水力损失数值计算

根据研究低扬程泵站水泵装置的方法可以多样化的观念,提出了将出水流道从水泵装置中分离出来,进行出水流道内部流态数值模拟和水力损失计算的方法．介绍了低扬程大型泵站出水流道三维流场及水力损失数值计算的计算区域、边界条件及网格剖分等有关问题;给出了虹吸式和直管式等两种形式出水流道三维流场和水力损失数值计算的实例,并与流道模型试验的流场观察及水力损失测试结果进行了比较．结果表明：两种形式出水流道内部三维流动以及水力损失数值计算的结果,与流道模型试验的结果一致．     

进口流场对虹吸式出水流道的性能影响

采用数值模拟方法,把轴流泵后导叶的出口流场作为虹吸式出水流道的进口流场,研究对其水力特性的影响。计算结果表明,导叶出口流速和压力分布不均匀,存在横向流速和剩余环量,使虹吸式出水流道水力特性变差,下降段和出口段的回流区增大,驼峰断面和出口断面轴向流速分布均匀度显著下降,水力损失增加。轴流泵后导叶出口流场影响虹吸式出水流道两侧的流量分配,右侧流量恒大于左侧流量,而右侧的水力损失却小于左侧的水力损失,但两者都比无旋、轴向进水条件下的流道水头损失大得多,流量和水头损失的关系并不符合二次抛物线变化规律。     

基于CFD的底部上翘角度对直管式出水流道水流性能的影响研究

为优化直管式出水流道的设计型式，以通吕运河大型低扬程泵站为例，建立几何比尺为11的三维泵装置模型，选用六面体结构化网格划分计算域，并进行全流道定常数值计算，探究了不同底部上翘角度对直管式出水流道水流性能的影响。结果表明，底部水平时，直管式出水流道水流性能一般，对内流流动的调整作用不明显；随着底部上翘角度的增大，出水流道水力性能呈先优后劣的变化趋势，存在水力性能最优的阈值角度，为1.5°；当底部上翘角度为阈值角度时，出水流道前段的涡通量降幅明显，后段流速均匀度最高。不同的底部上翘角度对直管式出水流道的水流性能有着较大影响，采用合适的底部上翘角度能够提高出水流道的水力性能，增强对水流的调整作用。研究成果为直管式出水流道的水力设计提供了一定的参考。     

大型低扬程泵站直管式出水流道优化水力设计

针对低扬程泵站直管式出水流道内较为严重的脱流问题,提出了直管式出水流道优化水力设计方法:以最大限度地回收水流动能和减少流道水力损失为目标,通过建立直管式出水流道几何数学模型以及借助CFD三维湍流数值模拟,逐步优化直管式出水流道的型体。通过专门设计的流道模型试验,测试了直管式出水流道的水力损失;结合某大型泵站的应用实例,验证了直管式出水流道优化水力设计的效果。     

泵站虹吸式出水管数值模拟及水力优化

利用RNG 紊流模型,采用有限体积法和结构化网格,对虹吸式出水管进行数值模拟。由数值模拟结果分析了虹吸式出水管内部水力特性,并通过改变影响虹吸管水力特性的几个主要参数对原方案虹吸管进行了水力优化。优化方案较原方案进行比较,在水流流态、压力分布和水力损失方面,均有明显改善,可为虹吸式出水管设计提供参考。     

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。     

立式轴流泵装置模型水力性能数值分析及预测

依托南水北调东线一期工程某低扬程泵站的设计参数,基于三维湍流流动雷诺时均N-S方程和RNG k-ε湍流模型,对由肘形进水流道、轴流泵和虹吸式出水流道组成的低扬程立式轴流泵装置模型内部流动进行数值模拟,分析了小流量工况(0.180 m³/s)、设计流量工况(0.299 m³/s)和大流量工况(0.360 m³/s)等3个典型工况时的泵装置流态和叶轮叶片表面的压力分布情况,对泵装置模型的能量性能进行预测,并与泵装置模型试验结果进行对比分析.结果表明:泵装置效率的数值计算结果与模型试验结果基本一致,最优工况点附近较为接近,在计算范围内最大差值不超过2%;设计流量工况时泵装置进、出水流道内的三维湍流流动状况,与进、出水流道分别进行数值计算时的状况基本一致;3种不同典型工况时泵装置进水流道内的流场分布状况相同,而出水流道内的流场差别很大.对不同工况时立式轴流泵装置模型内部三维湍流流动的研究结果,可为低扬程泵装置多工况水力设计优化研究提供一定的参考.     

出口环量分布对泵诱导轮性能的影响

为减少对经验参数的依赖性,在诱导轮设计过程中引入出口环量分布规律来控制叶片不同叶高处安放角,根据3种不同函数表达式的出口环量分布,设计了3种不同类型的诱导轮,并通过数值计算的方法,研究了出口环量分布对诱导轮性能的影响.水力设计结果表明：出口环量分布规律可作为诱导轮设计的控制参数,它直接影响诱导轮的包角大小和叶片长度.数值计算结果表明：减小轮毂侧环量,增大轮缘侧环量,可防止叶片轮毂因安放角过大而扭曲严重,进而提高叶片水力效率;同等流量下,二次递增型诱导轮扬程最高,有利于提高离心轮的抗汽蚀性能;二次递增型诱导轮综合性能最好,而线性递增型诱导轮综合性能最差;水平型诱导轮内部流场最稳定,但进口轮缘处有较强旋涡产生.因此,在诱导轮设计过程中,选用二次递增型出口环量分布较为合理.     

海水淡化能量回收透平水力模型优化设计

为提高反渗透海水淡化系统中能量回收透平的回收效率,对透平叶轮的水力模型进行优化设计,分析透平叶轮几何参数交互作用对叶轮性能的影响规律,得到透平叶轮性能最佳时的几何参数.以叶片进口角、叶片出口角和叶片数为试验因素,透平水头和水力效率为试验指标,基于BBD试验设计方法对透平进行多参数组合的数值计算,并采用响应面分析法对试验数据进行处理和分析,建立试验因素对试验指标的回归方程.结果表明:当透平叶片进口角为28.8°,出口角为23.3°,叶片数为7时,透平的水力性能最优,在设计工况下,优化透平的扬程比原型高6 m,优化透平的效率比原型提高0.8%;叶片数对透平性能的影响最大,叶片出口角对透平水头的贡献率比叶片进口角大,而叶片进口角对透平效率的贡献率比叶片出口角大.     

杭州八堡泵站斜式泵装置流道水力优化

为保证杭州八堡泵站斜式泵装置的安全、稳定和高效运行,运用三维湍流数值模拟方法对该站斜式进、出水流道进行了水力优化设计研究.基于流道三维流场数值计算结果,揭示了进水流道高度和泵轴倾角分别对斜式进水流道水力性能的影响规律,揭示了出水流道平面扩散角和泵轴倾角分别对斜式出水流道水力性能的影响规律.结果表明:斜式进水流道高度愈大流道水力性能愈好,泵轴倾角愈小流道水力性能愈好;斜式进水流道转向角度愈小,水流受离心力影响愈小,愈有利于水流流动调整;斜式出水流道扩散角愈小流道水力性能愈好,泵轴倾角愈大流道水力性能愈好;受螺旋状的水流和急剧转向的“S”形弯曲流道的共同影响,斜式出水流道内不可避免地存在不对称旋涡;综合考虑八堡泵站流道水力性能、土建工程量、闸门提升高度和水泵机组安装检修难度等多方面的因素,确定该站斜式泵装置的泵轴倾角为20°.