水泵进口预旋及涡流强度测试新技术

设计不良的泵站进水建筑物 ,在不带泵运行的情况下 ,也会引起水泵进口水流预旋和吸水管内涡流 ,改变水泵的进水条件 ,恶化水泵的能量特性和汽蚀特性。提出了观测泵进口水流预旋和测量泵进口涡流强度的新技术。通过丝线流场显示技术 ,观察喇叭口进口水流的预旋 ;采用旋度计测定水泵吸水管内涡角的大小 ,可定性和定量地评判水泵进水设计 ,优化进水设计方案 ,确保水泵有良好的进水条件 ,提高水泵装置运行的安全性和可靠性。     

进水池对水泵进水条件影响的数值模拟和试验

采用有限体积法和非结构网格,数值模拟了两种进水池设计方案对水泵进水条件的影响,并利用物理模型试验对数值计算结果进行了验证。数值计算结果表明,在进水池长度、宽度和喇叭口淹没深度等其他设计参数相同时,与矩形进水池相比,平面对称蜗壳形进水池配合导水锥的进水设计可以有效减小水泵吸水管内横向流速,抑制涡流强度,较好地改善水泵的进水条件。     

水泵站开敞进水池三维紊流数值模拟

针对典型的水泵开敞式进水池，应用紊流模型对进水池及水泵吸水管内的流动进行三维数值计算，计算结果与实验流态、实测数据一致。水泵进口流速呈不对称分布，表面漩涡和水下漩涡均有可能存在，必须采取适当的消、防涡措施保证水泵正常运行。同时揭示了进水池内流动规律，提出进水池设计的控制尺寸。     

双泵共用进水池三维紊流数值模拟和试验研究

采用三维不可压粘性流Navier-Stokes方程和非结构化网格,数值模拟了双泵共用进水池的流场,分析了前池底坡和机组不对称运行对水泵进水条件的不利影响,计算了水泵吸水管内的涡角,并利用模型试验结果,验证了数值计算的可靠性和有效性。研究结果表明,数值计算可为理论分析和模型试验研究提供重要的参考依据;双泵共用进水池对后面水泵的进水条件不利,在进水设计中应引起重视。     

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。     

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。     

双向流道泵装置内三维流动数值模拟

为了防止和消除双向流道泵装置进水流道内的漩涡和涡带,确保水泵机组的安全运行,在双向进水流道底部泵进口下方加设曲线导流墩.通过CFD软件对设导流墩的双向流道泵装置内部流动进行数值模拟,获得泵装置内部的三维流动速度场,并预测了泵装置的性能.结合模型泵装置试验的内外特性,着重研究了双向进水流道的出口流速分布及其对泵装置性能的影响.计算结果表明加设导流墩的双向进水流道出口断面流速分布较为均匀,流速均匀度达到93％,满足水泵运行的需要;装置性能良好,最优工况点的装置效率为68.89％.模型试验观测显示导流墩的设置有效地防止水泵进口下方涡带的产生,在各种试验工况下进水流道内均未发现涡带,水泵运转平稳无振动,可保证机组安全可靠运行.比较进水流道出口流速分布的计算结果与模型试验结果,二者在总体结构上相近,数值模拟对泵装置性能预测结果在最优工况点与试验结果基本吻合.     

双向泵站进水流道优化水力设计与试验研究

采用三维紊流数学模型对双向运行泵站的进水流道主要参数，根据目标函数进行优化水力设计，确定最佳参数值；同时进行模型试验，将优化参数与水泵装置的外特性进行对比，得出水泵进口(进水流道出口)流速不均匀度及水泵入口角与装置效率之间的关系。针对具体泵站推荐了主要参数，试验结果表明装置效率有明显改善，为类似泵站设计中进水流道参数选择提供了有益参考。     

侧向进水多机组泵站进水流态改善措施研究

结合上海市污水治理三期工程之一的汶水路泵站水力模型试验，研究和分析了侧向进水多机组泵站集水池的进水流态及产生不良流态的原因，提出了改善不良进水流态的措施，试验研究结果表明，改善措施有效地改善了进水流态和水泵运行工作性能，提高了泵站的工作效率。     

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。     

进水池形状对吸入涡影响试验研究

为了改善进水池附近的流态,避免吸入涡进入喇叭口,首先以不同淹没深度和不同流量对开敞式进水池进行高速摄影和PIV试验,根据测试的流态提出相应改善措施,然后对矩形进水池和矩形进水池加底部十字架2种方案进行试验,观察并对比其消涡效果.结果表明,相对于开敞式进水池的方案,矩形进水池方案可以使喇叭口处的流态得到改善,并将前者的允许最小淹没深度降低,即在同等条件下改善了旋涡的表面涡纹状态;然后对矩形进水池方案加十字架后,进一步减小了旋涡的影响,并再次降低了允许最小淹没深度,由0.90D降低到0.70D,且改善了旋涡的表面涡纹状态.研究结果对于允许最小淹没深度的改进、降低泵站进水池的工程造价方面具有参考意义.     

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.     

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。     

装备封闭式吸水罐的泵站水力学特性

针对吉林省某高扬程调水泵站进行了CFD数值计算.在网格无关性检查的基础上,采用RNG k-ε湍流模型和SIMPLEC算法,对单泵运行、2台泵和3台泵同时运行的不同工况进行计算.从水力损失、流线图、流速分布均匀度和速度加权平均角度等方面对比分析了这些工况的水力损失和内部流场的差异.研究结果表明,边机组在吸水罐内没有正对喇叭管的旋涡,对应的吸水管内流线较为光顺,未发生“S”型扭曲.对于单泵或多泵组合运行,边机组和边机组组合运行时的流速分布均匀度和速度加权平均角度最高,比中间机组和中间机组组合运行时的分别平均高1.8%,5.602°.因此,装备封闭式吸水罐的泵站,中间机组的流态较边机组恶劣,而边机组的流态反而较好.这一结论与常规开敞式泵站恰好相反.针对这类泵站,若需要单泵或者是2台泵运行时,建议优先考虑1台边机组或2台边机组组合的运行方式.     

竖向进水管布置对泵站进水流态的影响模拟

基于定常不可压缩强曲率流体的RNG k-ε紊流数值模型,通过建立以水力损失最小和基于质量加权流速均匀度最大为优化目标的评价函数,设定适当的边界条件,利用三维非结构化六面体网格单元进行网格划分,采用有限体积法对控制方程进行离散,应用CFD软件Fluent对泵站进水池和水泵进水管内部流场进行数值模拟计算.为了模拟水泵竖向进水管布置的控制参数对泵站前池和水泵进水管口流态的影响,参照现行的泵站设计规范,分别模拟了管道内径为D的竖向进水管在不同后壁距和不同悬空高度时的进水流态,并绘制了水泵进水管口流速均匀度和水力损失关系曲线.研究表明,对于安装有卧式离心泵的大型提水泵站,合理的进水管后壁距与悬空高度可以保证良好的进水流态,促使水泵进口流速分布均匀,有效地防止前池内的泥沙淤积,并能确保水泵高效稳定运行.根据模拟计算结果,提出了设计时可供参考的进水管后壁距取值范围为（0.4～0.8）D,悬空高度的取值范围为（0.6～0.8）D.     

立式循环泵进水流道的内部流场研究

进水流道设计是大型立式循环泵装置设计中的重要环节,为了解不同工况下叶轮对流道出口流场的影响,分别对考虑叶轮影响和不考虑叶轮影响下的进水流道内部流场进行计算和分析.研究发现不考虑叶轮影响下的进水流道内部流场特征几乎不受流量变化的影响,而考虑叶轮影响的进水流道情况则比较复杂.在小流量情况下,叶轮流场的进口回流效应会对进水流道出口流场产生显著影响.随着流量的降低,进水流道出口分析截面内的流速分布均匀度和流速加权吸人角两个指标逐渐降低,在0.4Q0流量时,截面外缘出现明显的圆周速度分量,其变化接近于涡核内的圆周速度曲线,并不断向叶轮上游流道扩展.     

自由表面旋涡数值模拟与涡、汇模型理论分析

为研究吸气旋涡的产生机理,并进行相应的理论分析,将水利和水工设备进水口前常见的自由表面旋涡现象简化为盆池自由放水模型,采用“流体体积”(VOF)方法结合RNG k-ε湍流模型模拟自由表面旋涡现象．通过数值模拟获得自由液面从纯水涡到吸气旋涡的生成与演化过程,将计算结果与理论Burgers涡模型进行对比,发现Burgers涡模型的切向速度分布方程与计算结果相符,涡量向中心聚集是导致自由液面发生凹陷并最终产生吸气旋涡现象的原因之一,同时发现Burgers涡的径向速度和轴向速度分布方程与计算结果相比存在很大差异．进一步简化模型后,剔除切向速度影响,模拟了无旋流体的排水过程．通过理论推导在球坐标系下提出“汇球面”模型,获得了较好的速度分布方程,并发现“汇”效应也是产生吸气旋涡现象的重要因素之一．