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．     

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．     

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。     

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.     

仙桃大垸子泵站流道水力优化设计与研究

为确保仙桃大垸子泵站的安全、平稳、高效运行,运用三维湍流数值模拟对该大型泵站设计工况的进出水流道内部流动进行了水力优化。基于流道三维流场数值计算结果,采用轴向流速分布均匀度、入泵水流加权平均角和阻力系数3个指标综合评价进水流态,采用出口平均流速分布和流道损失综合评价出水流态,揭示了肘形进水流道弯曲段内曲率半径对进水流道水力性能的影响规律,以及屈膝式出水流道出口段外曲率半径对出水流道水力性能的影响规律。结果表明:过大或过小的曲率半径和不平顺的流道线型都不利于优化进出水流道水力性能,出水流道过度段不可避免会出现分离旋涡,屈膝段曲率半径变化越连续,线型越平顺,流道水力性能就越好;线型优化应综合考虑数模计算成果和工程实施等因素。     

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。     

卧式泵站直管式出水流道型线变化水力性能数值模拟

基于不可压缩流体的连续性方程和雷诺时均N-S方程,采用CFD技术对卧式泵站直管式出水流道进行数值模拟计算,通过改变出水流道型线,分析出水流道内部流动特性及水力损失影响。研究表明,出水流道当断面形状设计为圆变方,在平面方向和立面方向均逐渐扩大的形式时,流道内流态最好;将进水流道断面在平面方向设计为先扩散后平直,而在立面方向均匀扩大的形式时,流态较好;而将断面在立面与平面方向均设计成先扩散后平直时,出水流道流态最差。     

双向竖井贯流泵进出水流道优化研究

基于RNG k-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用商用CFD软件对双向竖井贯流泵装置进行了三维流动数值仿真计算。对流道内的水力损失分析借鉴了微元法分析原理,通过对比分析分段水力损失可知:竖井作为进水流道时,其尾部汇合处水力损失较大,直管式出水流道在靠近导叶出口端水力损失较大,竖井作为出水流道在分叉处水力损失较大。通过调整竖井及直管式流道型线,有效减小水力损失,泵装置外特性有了较好的提升,最终完成水力性能优化设计。最终优化后的双向竖井贯流泵装置在叶片安放角为0°时数值计算结果正向运行效率最高达72.0%,反向为57.9%;模型试验结果正向运行效率最高达70.4%,反向为56.2%。     

钟型进水流道轴流泵装置数值优化与试验分析

基于RNG k-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用流体计算CFD软件对钟型进水流道的轴流泵装置进行三维流动数值模拟以及水力性能的优化设计。通过先局部后整体的方法先单独对钟型进水流道进行优化,然后在整体泵装置内对弯管式出水流道进行优化,对进、出水流道进行三维参数化建模,进水流道以出口断面速度均匀度和水力损失为目标函数,出水流道以泵装置效率为目标函数,针对设计流量工况点,分别对进水流道和出水流道各控制参数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。数值模拟和模型试验结果表明,优化后钟型进水流道的水力损失由0.348 m降低到0.148 m,钟型进水流道出口流速均匀度由54.59%提高到93.35%;弯管式出水流道的水力损失由0.464 m降低到0.415 m,通过优化流态得到了改善。模型泵装置试验在叶片安放角0°时,设计工况下泵装置效率达到74%,泵装置最高效率为76.47%,高效区运行范围较宽;进出水流道无漩涡产生,流态均匀,数值模拟和模型试验外特性曲线误差在5%以内,进水流道水力损失曲线趋势相同。运用数值模拟优化计算钟型进水流道的轴流泵装置,缩短了试验周期,节约了成本,可为同类泵站的设计和安全运行提供参考。     

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。     

大型泵站斜式出水流道优化水力设计

采用三维紊流数值模拟的方法 ,模拟了某大型泵站 15°斜式出水流道内的三维流动形态 ,指出由于流道型线设计不当而导致了不良流态。通过建立斜式流道几何模型并借助于三维紊流数值模拟方法 ,逐一改变流道的几何尺寸 ,根据流道内流态的改变情况逐步优化流道型线 ,实现了斜式流道的优化水力设计     

箱涵式轴流泵装置进出水流道优化设计

基于RNGk-ε紊流模型和雷诺时均N-S方程,运用CFD商用大型软件对箱涵式进出水流道立式轴流泵装置进行了三维流动仿真计算及水力特性的优化设计。通过先部分后整体的方法先独自对箱涵式进水流道进行优化计算,而后在整体泵装置上对箱涵式出水流道进行优化计算。进水流道的优化以出口断面流速均匀度和水力损失为目标函数,出水流道的优化则以泵装置效率和水力损失为目标函数。通过数值计算得出,优化后箱涵式进水流道的水力损失由7.52cm降低到3.49cm,进水流道出口流速均匀度由42.41%提高到89.11%,进水流道的悬空高度H和进水喇叭管与叶轮间的连接角度α对进水流道水力特性的影响显著,设计时应该重点考虑。箱涵式出水流道的水力损失由87.15cm降低到76.37cm,出水流道的设计应重点关注导流墩与出水喇叭管的半径差Δr和出水导流墩的半径R,合适的出水导流墩半径在0.75倍导叶出口直径左右。泵装置模型试验在叶片安放角-4°时,设计工况下泵装置效率达到75.0%,泵装置最高效率为75.67%,高效区运行范围较宽;对比数值计算和模型试验的结果可以发现误差最大处低于5%,整体性能曲线的趋势相对良好,说明数值模拟对于泵装置的优化是合理的,对于实际工程具有指导意义。     

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°.     

泵站出水流道三维不可压缩湍流流场数值模拟

泵站出水流道的设计是整个泵站设计的重要组成部分。为了优化泵站出水流道的水力设计，对其三维正命题的求解采用了雷诺平均N—5方程，并以标准k—ε湍流模型使方程组闭合。在以压强连接的隐式修正法(SIMPLE—C)算法建立的压力速度校正方程上，求解流道内三维不可压缩湍流流场，揭示泵站出水流道内部的流动形态，进一步对数值模拟的结果分析，由此找出水力设计过程中存在的问题并提出相应的改进方法。     

防洪排涝泵站出水流道CFD优化设计

为实现排涝泵站出水流道的优化设计,根据泵站基本参数设计出14种出水流道方案,各方案具有不同的龟背形式、倒圆弧半径、倒直角等结构参数。在0.9Q1、Q1、.15Q3种工况下,利用CFD技术,采用标准κ-ε湍流模型对14种方案的内部三维流动进行数值模拟。计算结果表明:在出水流道的进出口尺寸相同条件下,龟背和倒圆弧的设计方案水力损失最小,因此选择该方案合理,实现了流道水力特性的预测,为出水流道水力设计优化和模型试验研究提供了参考依据。     

基于CFD的泵站进水流道优化研究

受限于用地规模、地形等因素,我国排水泵站流道的设计趋于复杂,普遍具有流道深、狭长的特点。这导致泵站进水流道存在回流、流速分布不均匀等不良流态,影响泵站安全稳定运行。本文以某泵站为实例,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)技术,通过改变肘形流道的弯曲段长度、底边线倾角和喉管高度,拟定优化设计方案,采用基于CFD的数值模拟方法分析流道内部流场分布,并根据流道出口的流速分布均匀度、速度加权平均角度和流道水力损失等水力指标比选,优选出最优方案。本文为进水流道设计提供了更精细的优化手段,弥补了传统经验设计方法只能定性分析的不足,得到的最优设计方案可供类似工程参考,保障泵站机组的稳定运行。     

刘老涧二站虹吸式出水流道的优化水力设计

在给定的流道控制尺寸范围内，采用数值模拟计算的方法对刘老涧二站虹吸式出水流道进行了优化水力设计计算。计算结果表明：虹吸式出水流道的型线对流道的水力损失影响很大；虹吸式出水流道经过仔细的优化水力设计可以获得优异的水力性能；虹吸式出水流道具有非常好的应用前景。     

基于三维数值模拟的柳港泵站肘形进水流道优化设计

传统肘形进水流道设计采用经验设计方法,难以定量比选最优方案。以柳港泵站肘形进水流道优化设计为目标,通过改变流道顶板仰角和流道出口段高度,拟定五个设计方案,采用基于CFD的三维数值模拟方法分析流道内部流场,根据流道出口断面的流速分布均匀度、流道出口断面的速度加权平均角度和流道水力损失等参数比选,优选出最优方案。本文为进水流道设计提供了更精细的优化手段,弥补了传统经验设计方法只能定性分析的不足,得到的最优设计方案已被实际工程采纳,可供类似工程参考。     

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。