侧向进水泵站前池流动特性及调控措施分析

为解决江苏省扬州市施桥泵站侧向进水前池大范围回流的问题，以施桥翻水站进水建筑物为研究对象，基于雷诺时均N-S方程和RNG k-ε模型，采用CFD软件对侧向进水前池和进水池进行联合数值计算，分析了不同整流措施时前池和进水池的流动特性，提出了若干整流措施并定量分析了流态调控效果，结果表明：无整流措施时，侧向进水泵站2号和6号进水池流态较为紊乱，流线分布不均；通过3个方案整流措施分析，在前池增设底坎时进水池流线分布均匀，流速分布合理，且各水泵机组的进水池进口特征断面轴向流速分布均匀度平均提高了约30%，整流效果显著。研究成果可为类似泵站工程流态改善提供参考。     

泵站正向进水前池底坎整流机理数值模拟

为研究正向进水前池存在的不良流态,基于N-S方程和Realizable k-ε紊流模型,采用SIMPLE算法,数值模拟了正向进水前池中无任何措施和增设底坎整流措施的流态.CFD计算结果表明：原方案的前池两侧出现了大面积的回流区,泵站两侧机组进水条件差,水流偏斜较为明显;加底坎,且当底坎离进水池较远时,整流效果并不明显,前池内仍有大面积的回流产生,偏流依然严重;当底坎离进水池较近时,坎后旋涡直接影响到进水池的流态;通过CFD优化,底坎设在离进水池入口（7~10）D处,能明显改善前池的流态,水流能较均匀地流入各台机组;随着底坎坎高的增大,底层回流区会逐渐变小,较大回流区发生的位置也由坎后变为坎前,坎高的取值约为0.3H＇时,前池内流态较好;底坎的顶宽尺寸对前池流态的影响较小.CFD计算结果与试验结果基本吻合,研究成果对正向扩散前池流态改善有借鉴价值和实际意义.     

单侧向泵站进水前池流态数值模拟与改善

受限于工程布置,泵站工程有时只能采用侧向进水,侧向进水泵站的前池多存在流态紊乱现象,严重时会引起机组振动,甚至影响水泵安全运行。为改善流态,采用ANSYS CFX软件,基于k-ε湍流模型,以徐州市某泵站为例,进行了无整流措施及多种整流措施下的数值模拟。结果表明:无整流措施时泵站前池内出现较大范围的回流区;于进水弯道处设置整流栅和底坎,配合进水池进口设置的多个导流墩,前池内回流区域大大压缩,整流后近进水池断面上轴向流速均匀度提高了9.8%,研究结果可为有效改善类似单侧向进水泵站流态提供参考。     

分叉型侧向进水泵站前池底坎整流机理

为改善泵站前池不良流态,以分叉型侧向进水泵站为研究对象,基于商用软件CFD分析底坎位置及几何参数对前池流态改善的影响。计算结果表明:无整流措施时,分叉型侧向进水前池中流态紊乱,进水池进水条件差,流速分布不均匀;通过加设底坎可显著改善前池中的流态,提高流速分布均匀度。当底坎距进水池为2 D,高为0.67 D,宽为0.44 D时,前池底层回流区基本消失,进水池流态以及流速分布得到有效改善。     

泵站前池非连续挑流消能防沙技术措施

通过前池水力过流情况分析和改造前现场试验,发现前池流态紊乱导致了田山一级泵站机组的剧烈振动和颤振.提出了由非连续底坎、非连续挑流墩和两道压水板组成的非连续挑流消能防沙技术措施,并对改造后泵站的运行情况进行了现场试验.试验结果表明,采用技术措施改造后,前池、进水池流态和水泵进水条件得到了显著的改善,池中断面流速分布趋于均匀且断面紊动能量明显降低;测试机组单泵流量平均提高了0.14 m3/s,水泵效率平均提高了4.99%,泵站装置效率平均提高了3.88%;消除了泵体颤振,使水泵喇叭口振动标准由4.5级烈度降低到1.8级烈度;减缓了前池和进水池泥沙淤积,使试验前池和进水池清淤时间由改造前的运行800h延长至改造后的运行1 300 h,防沙效果良好.非连续挑流消能防沙措施为多泥沙河流泵站技术改造提供了一种简单有效的方法.     

侧向进水泵站前池整流三维数值计算

为了改善侧向进水泵站前池流态,应用CFX软件,基于N~S方程和标准k~ε湍流模型,对某侧向进水泵站前池进行了无整流措施和多种整流措施的数值计算。结果表明,无整流措施时,前池内存在大范围回流区,水流斜向进入进水池,在隔墩附近形成漩涡;加设"Y"型导流墩,主流被分成2部分,流速分布趋于合理,进水角度得到调整;加设底坎后,翼墙前端回流消失,坎后出现横向水流和竖向漩涡,水流结构发生改变;加设导流墙后,回流区对主流的干扰减弱,水流均匀平顺进入进水池,是一种理想的整流方案。数值计算结果与模型试验结果基本一致。     

基于欧拉固液两相流模型的泵站进水侧流场三维模拟

针对泵站过水建筑物中出现大量的泥沙淤积和不良流态,基于欧拉固液两相流模型对大型泵站进水侧流场进行三维CFD数值模拟.数值模拟结果表明,泵站原始的布置方案会引起低速区、漩涡以及回流等不良的进水流态,会导致在泵站前池出现泥沙淤积的现象.为了改善泵站进水流态和减少前池的泥沙淤积,对泵站分水堰形状进行修改并在引渠段加设整流底坎.数值模拟结果显示,通过对泵站原始布置方案的修改,消除了前池内的回流,漩涡的范围也有所减小,泥沙淤积的现象得到了较大的改善,水流中的泥沙体积分数平均减少了13％.     

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...     

江都抽水站引河流态改善的模型试验

针对泵站进水流态不良,影响水泵装置性能的发挥及泵站的安全运行等问题,采用模型试验研究进水流态,建立模型比为1∶50的江都东闸至西闸间的整体进水河段及4座泵站引河的整体模型,改善了不良流态。以Froude准则为基础,适当提高模型水流流速,准确地模拟泵站的进水流态。提出的在江都抽水站引河内加设倒"Y"形导流墩及底坎的整流工程措施,消除了进水引河内水流的大尺度回旋和泥砂淤积,为泵站经济、安全运行提供了良好的进水条件。     

改善城市排水泵站进水流态的试验研究

采用物理模型试验方法对某城市排水泵站进水系统水力流动特性开展试验研究,发现闸门井主流偏斜使得进水箱涵两侧配水不均,进而导致前池、进水池进流不均,存在漩涡、回流等不良流态。为改善泵站进水系统水流流态,通过在闸门井内设置导流墩、在前池内设置导流墩、横梁以及消涡板构成的组合式整流措施,并对其开展物理模型试验研究。结果表明,闸门井内设置导流墩有效提高了进水箱涵配水均匀性,前池进流在受到导流墩、横梁以及消涡板的综合整流作用下,显著改善了前池和进水池的水流流态,尤其是进水池内水流在平面上分布较均匀,在立面上呈底部大、表层小的分布规律,有利于水泵抽水并可防止表面涡形成,有助于保障水泵机组的安全稳定运行。     

不同冲击角度下淹没冲击水射流的数值计算

为了研究冲击角度对淹没冲击射流流场的影响,应用计算流体动力学软件Fluent,基于Wray-Agarwal(W-A)湍流模型,对完全充分发展的淹没冲击水射流进行数值计算.研究了在恒定喷嘴高度H/D=3,不同冲击角度(15°≤θ≤90°)条件下射流流场结构和速度分布.将数值计算得到的不同冲击角度下速度分布与PIV测量结果进行比较,验证了W-A模型的预测正确性,同时探讨了冲击角度对计算结果的影响.结果表明:冲击射流沿轴心线的速度v/v_b在势核区基本保持不变,在过渡区降低,在冲击区加速降低;射流在壁面射流区流动发生转向并沿着冲击壁面扩散;射流流场结构高度依赖于冲击角θ,随着冲击角度θ增大,壁面射流横向扩散增强,厚度逐渐减小;当θ=90°时,滞止点及顺流和逆流的过渡点与冲击原点重合;随着冲击角度θ减小,滞止点逐渐远离冲击原点;当θ<30°时,滞止点消失.     

引黄灌区首部枢纽泥沙输移特性与流速试验研究

为了探究引黄灌溉枢纽挟沙水流沿程含沙量变化规律和悬移质泥沙的垂向分布规律,推求首部枢纽有害泥沙悬浮的临界不淤流速,阐明减少有害泥沙引入的措施与方法,以提高输配水利用效率.以山西尊村灌区为主要研究对象,通过对一级站首部枢纽2019年5—7月取黄河水样及工况、断面流速、水深、水面宽度数据监测,分析了泥沙含量、沉起流速,采用马尔文Mastersizer 3000仪器处理分析了粒径级配,修正了适用于尊村灌区首部枢纽的挟沙力、扬动流速公式.结果表明：干渠黄河水泥沙含量与来水工况呈正相关;尊村灌区所引黄河泥沙粒径以0.006～0.200 mm为主;尊村灌区淤积与黄河口流速及粒径大小密切相关.建议增长泵前黄河口输水距离,流速控制在0.30 m/s左右,同时对引水口清淤;干渠以大于2.06 m/s流速定时冲刷.实际运行中单机组工况应控制在7.50 m³/s左右以减少有害泥沙引入,干渠流速控制在0.42 m/s左右,输配水效率最高.     

水电站排沙漏斗水沙运动规律

以燕子崖水电站为例,采用流体体积模型(VOF)方法耦合、雷诺应力模型(RSM)、离散控制方程、五阶Runge-Kutta变步长积分法模拟排沙漏斗水沙运动规律,并通过物理模型试验论证数学模型计算合理性.结果表明:排沙漏斗切向流速总体呈现中间小、两头大的特点,在排沙底孔位置产生空气漏斗,空气漏斗周围产生强迫涡流;径向流速随...     

水下自激脉冲射流装置流场的数值模拟及试验研究

利用自行研制的淹没射流试验平台进行水下自激脉冲射流试验,得到水下自激脉冲射流驻点压力的径向和轴向分布,通过建立相应的物理模型和数学模型,对水下自激脉冲射流内外流场进行了数值模拟,得到装置内、外流场的压力和速度分布,并对计算结果进行试验验证.结果表明:自激脉冲射流在非淹没条件下,有明显的低频脉冲发生,而在淹没条件下,部分射流能量消耗在淹没水流中,以致在腔室内难以形成空化,没有产生明显的脉冲,且驻点压力大幅度减小;不同水深的径向压力分布曲线基本是相同的,近似服从高斯正态分布;轴向驻点压力均随靶距的增大而减小,其衰减特性与连续射流及非淹没情况相似,只是其在有围压情况下衰减速度更快;水下自激脉冲射流装置的内部流场存在轴心主射流低压区、两个对称的负压区、碰撞高压区,并在靠近碰撞体的腔体处产生漩涡,其外流场和冲击射流流场相似,但不存在射流核心区.     

高含沙水渠道测控一体化板闸测流试验及其数值模拟

为了了解测控一体化板闸在高含沙水渠道的测流精度是否满足规范要求,选取宁夏南山台扬水灌区18条测流条件较好且具有代表性的支渠,通过对比无喉道量水槽的测流结果,整理分析不同灌水时期测控一体化板闸的测流数据,采用ANSYS Fluent建立物理模型,模拟研究测控一体化板闸的水力性能随含沙量的变化规律,并结合Rubicon测控一体化板闸测流原理,分析含沙量影响测控一体化板闸测流精度的成因.结果表明:当渠道水含沙量较大时,测控一体化板闸与无喉道量水槽的测流结果偏差较大;板闸计量箱内的流速分布、湍动能、含沙量、沙粒粒径均可能影响超声波流量计的测流精度;随着含沙量的增加,测控一体化板闸计量箱内湍动能减小,但流速分布无明显变化.因此,含沙量对测控一体化板闸测流精度有一定影响,主要由超声波在含沙水中的衰减作用以及含沙水的制紊作用导致,而流速分布对其影响较小.     

硅藻土微孔陶瓷灌水器水力性能研究

灌水器是渗灌系统的重要组成部分。针对硅藻土微孔陶瓷灌水器,测试了其在干燥状态和浸泡饱水状态下的压力流量特征;将渭河天然泥沙经140目筛子筛分(d≤300μm)后,配置成3种含沙量的浑水,对灌水器进行短周期灌水试验;用0.75 g/L的浑水进行灌水方法试验和灌水器浸泡饱水后灌水试验。结果表明,硅藻土微孔陶瓷灌水器压力与流量呈对数函数关系,随着压力增大,额定流量增大;清水灌溉时,随灌水次数增加,流量小幅度下降。灌水24次时,流量下降幅度约为10%;浑水试验时,流量除受灌水次数影响外,还受泥沙量的影响:相同灌水次数,含沙量增大时,流量下降幅度较大;浸泡处理减小了灌水器初始流量,减缓流量下降幅度。微观形貌进一步显示微孔陶瓷孔径在10~80μm范围内,因此含沙水灌溉严重影响灌水器使用效果。     

射流式离心泵不同喉管长度对自吸性能的影响

为研究射流式离心泵喉管长度对泵自吸性能的影响规律,运用CFX软件提供的Eulerian-Eulerian多相流模型,对不同喉管圆柱段长度的射流式离心泵内部气液两相流动进行定常数值模拟,得到泵内部压力、气相速度以及的气相体积分数的变化规律,分析其对自吸性能的性影响,并通过试验进行验证.模拟结果表明:当喉管圆柱段长度为10 mm时,喉管处静压值将降低,卷吸作用得到加强,且其轴线上的气相过流速度进一步提高,整体增强了气相分离能力,泵的自吸性能明显提高;当喉管圆柱段长度为15 mm时,其对射流器内部静压值以及气相速度影响甚微,由于流动损失增加导致做功能力减弱,泵的水力性能降低.试验发现:当喉管圆柱段为10 mm时,自吸高度由原来的7.45 m提高至9.15 m,自吸时间也由原来的148.5 s缩短至90.0 s左右,自吸性能得到明显提高,且满足设计运行要求.     

反弧段体型对高流速泄洪洞水力特性的影响

利用流体仿真软件FLUENT对高水头明流泄洪洞不同体型反弧段的水流流场进行三维数值模拟,获取了流速、压强、切应力等水流运动参数的沿程分布。结果表明:不同形式的反弧段,沿程水头损失差别很小;反弧段的曲率半径越小,底板压强越大,同时在反弧段始、末断面附近的压强梯度也大;各种类型的反弧段底板剪应力基本呈沿程增大的趋势,但前半部和后半部底板切应力的变化规律不同。综合考虑反弧段流速、底板压强、底板切应力的沿程分布情况,采用下过渡曲线形式的反弧段体型可以减小反弧段与下斜坡段连接部位的压强梯度和切应力,相对于文中提到的其他体型的反弧段,空蚀风险最小。     

U型渠道板柱复合式流量量测装置水力特性数值模拟

为了发展节水农业、促进灌区高效用水、合理分配水资源,研发了一种携带方便、计量准确、可移动的U型渠道流量量测装置--板柱复合式流量量测装置.基于Flow-3D软件,采用RNG k-ε湍流模型,对板柱复合式流量量测装置水力特性进行了数值计算,并对模拟结果进行试验验证.结果表明:模拟得到的渠道水流横向流速、垂向流速及量测装置旋转角度与流量之间的关系与试验结果一致,且最大相对误差不超过5.4%;渠道自由液面横向流速从中心到近壁面呈现先增大后减小的变化趋势;渠道上游中心断面垂向流速从底部到自由液面呈现增大的变化趋势,而下游中心断面垂向流速却呈现先增大后减小的变化趋势,最大垂向流速位于自由液面以下某一位置;板柱复合式流量量测装置对渠道内水流最大影响范围是距量测装置上游0.35 m到其下游0.94 m之间的流场区域.