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。     

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。     

基于BPNN-GA的泵站前池整流底坎参数优化

为了减少泵站进水结构内的不良流态,提高泵组运行效率,该研究基于计算流体动力学以及BPNN-GA(Back Propagation Neural Network-Genetic Algorithm)算法对泵站前池内底坎的结构设计参数进行优化。为便于计算遗传算法的适应度,在轴向流速分布均匀度和速度加权平均角基础上提出了前池水流流态的综合评价指标F。以综合评价指标F为目标参量,通过遗传算法优化训练好的BPNN模型,得出最优底坎结构设计参数,并同正交试验设计的最优方案的数值模拟结构对比分析。研究结果表明,在1、2、4号水泵机组运行情况下,相比于正交试验设计的最优方案泵站前池水流流态, 1号水泵进水流道的轴向流速分布均匀度提高了16.58个百分点,速度加权平均角增加了4.66°;2号水泵进水流道的轴向流速分布均匀度提高了0.49个百分点,速度加权平均角下降了2.81°;4号水泵进水流道的轴向流速分布均匀度提高了8个百分点,速度加权平均角增加了7.81°,综合评价指标F为1.16,表明前池流态得到较大幅度的提高。基于BPNN-GA算法对泵站前池整流底坎参数进行优化,克服传统方法陷入局部最优的缺陷,可在满足设计要求的范围内选出当轴向流速分布均匀度和速度加权平均角最优时的底坎设计参数,为计算智能在泵站优化水力设计方面提供参考。     

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。     

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。     

太极式鱼道水力特性试验研究及数值模拟

针对传统鱼道一经建成,其固体边界条件已经固定,池室内水流流速分布变化不大而难以适应多种鱼类通过的缺点,该文研究一种通过太极圆盘和八卦爻条消减水流能量,形成多态流速场以适应多种鱼类洄游的太极式新型鱼道,并对其进行了水力模型试验和数值分析。首先通过模型试验得到了鱼道在不同工况下的流态和沿程水深变化,然后通过数值计算得到了与模型试验相近的结果,并进一步分析了太极式鱼道的表面流速、近底流速及关键横断面流速分布。结果表明:太极式新型鱼道具有显著的消能减速效果,最浅处水深达到无太极圆盘时相应最浅水深的2倍左右,断面平均最大流速为0.95 m/s,相对于无太极圆盘的情况降低50%左右,池室内水流呈现多态化,另外随太极圆盘方位不同流速场亦有明显变化,该种鱼道可为鱼类提供更多适宜的洄游条件。     

湍流模型在泵站进水池漩涡模拟中的适用性研究

泵站进水池表面漩涡、附底漩涡和附壁漩涡是影响水泵装置稳定运行的重要因素,为研究不同湍流模型在进水池漩涡模拟中的适用性,分别采用标准k-? 模型、RNG k-? 模型和Realizable k-? 模型3种湍流模型对进水池流场进行了数值计算,得到了进水池内漩涡位置及强度信息,并与试验进行了对比分析。结果表明,Realizable k-? 模型对进水池表面涡、附底涡和附壁涡的位置和形状预测比较准确,对漩涡的切线速度和环量的预测也与试验值更为接近。为泵站进水池的水力设计与结构优化具有指导作用。     

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。     

多喷嘴射流泵数值模拟及试验研究

设计了一种能够缩短喉管长度的多喷嘴射流泵。并采用k-ε湍流模型和壁面函数法对不同结构参数下的多喷嘴射流泵进行了数值模拟和试验研究。结果表明,喷嘴数和喉嘴距对射流泵工作性能影响较大;在吸入室及喉管入口处湍动能较大。得出了射流泵的最佳性能喷嘴数,确定了工作流体和被吸流体喉管混合均匀长度,验证了多喷嘴射流泵可缩短喉管长度,提高了射流泵工程应用价值。     

集中通风式分娩母猪舍温湿度数值模拟与试验验证

为研究集中通风式猪舍温湿度场的分布规律,利用计算流体力学技术,对云南省某规模猪场的地沟进风、中央排风式分娩母猪舍进行温湿度场耦合模拟研究,并通过试验进行验证。本研究采用四面体非结构网格进行网格划分,运用重整化群RNG k-ε湍流模型进行稳态模拟,通过实测值与模拟值的对比,对模型进行验证。研究结果表明,温度模拟值与实测值最大差值不超过4 ℃,平均相对误差为6.5%;相对湿度模拟值与实测值最大差值不超过10%RH,平均相对误差为7.3%,验证了模型的准确性。温度、相对湿度和风速在垂直高度上的分布差异较大,温度随着垂直高度的增加而增加,且温度梯度逐渐增大;相对湿度随着垂直高度的增加而减小;而风速则随着垂直高度的增加而逐渐减小。本研究揭示了集中通风式分娩母猪舍的温湿度场分布规律,并为分娩舍温湿度场的优化提供参考。     

离心泵气液固多相流动数值模拟与试验

为研究离心泵输送含有气固液多相时内部的流动情况,采用Pro/E三维造型软件进行几何造型,基于ANSYSCFX软件应用雷诺时均方程、双方程湍流模型,并结合SIMPLEC算法对其内部三维气固液多相流各相流动规律进行数值计算,将计算结果与试验结果进行对比结果表明:受气相所产生旋涡的影响,固相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时达到最大值后直线急剧下降,下降至一定值后开始波动变化,而气相体积分数在径向量纲位置r/R2为0.4时较小,从径向量纲位置r/R2为0.4以后急剧增大。气、固两相互相影响对方颗粒的分布。气相主要集中在叶片工作面的中间位置,气相的存在使叶轮流道内产生旋涡,影响叶轮流道内的能量交换与传递;固相在没有旋涡的流道内是紧靠叶片表面运动的,在有旋涡流道内主要是随着旋涡旋转方向进行流动,固相所占比值的增加对流动轨迹的影响并不明显。对气液固多相流的深入研究和应用提供了有价值的参考。     

渣浆泵叶轮磨损的数值模拟及试验

为研究渣浆泵运行过程中叶轮的磨损情况,该文以一台离心式工程塑料渣浆泵为研究对象,对其全流场进行了结构化网格划分,首先对包括设计工况点在内的5个工况进行了清水条件下的数值模拟,并与试验数据进行对比,发现最大误差不超过5%,设计工况点误差不超过3%,说明所用数值模拟方法得到的结果是可信的。随后基于ANSYS CFX商用软件中的Particle欧拉多相流模型,对模型泵内流场进行了固液两相数值模拟并进行了快速磨损试验,模拟与试验结果表明:叶轮磨损较严重的部位位于叶片进口边、流道中前段靠近叶片压力面的后盖板内侧、叶片压力面与后盖板交界处及叶片压力面端面;背叶片的磨损主要发生在叶片压力面外缘,并由此处开始往轮毂处发展,磨损形状大致呈抛物线型,分析认为隔舌处的高压引起流道中颗粒相回流撞击背叶片外缘是造成背叶片磨损的主要原因。通过模拟结果与试验结果的对比,证明所采用的数值模拟方法可以有效地预测渣浆泵运行时叶轮的磨损,其结果可较好地解释磨损产生的原因,该研究可为今后渣浆泵叶轮抗磨损性能的优化设计提供参考。     

滴灌加压泵站离心泵并联总流量分析模型

为了在滴灌加压泵站设计中,给并联工作离心泵数量的确定提供帮助,该文以并联水泵工况点的求解原理为基础,建立了分析离心泵并联总流量随并联数量的变化模型。模型分析结果显示,单泵工作流量随并联数量的增多而减小,而且减幅降低;离心泵并联总流量随并联数量的增多而增加,但是增幅衰减;而且其衰减速度大于单泵流量减幅的降低速度。利用设计实例验证了该模型的应用有效性。该研究可为滴灌灌区泵站设计提供参考。     

开机组合对泵站进水系统泥沙浓度分布的影响

针对泵站来流含沙条件下不同开机组合对进水系统泥沙浓度分布的影响问题,该研究开展了基于欧拉-欧拉算法的大型泵站进水系统固液两相流数值分析。首先,为了定量描述泥沙对流场均匀性的影响,对比分析了清水和浑水情况下进水流场的流速分布均匀度和回流系数,发现质量浓度10 kg/m3且粒径为25 μm的泥沙会使进水流场内的同轴漩涡变成沿水深方向更大尺度的螺旋状漩涡,进水池内的回流系数增长20.6%,流速分布均匀度下降8%。其次,通过对不同开机台数和机组组合方式下进水系统内泥沙浓度分布的对比分析,发现前池和进水池两侧边壁附近泥沙浓度最高,与引渠等宽的中心区域泥沙浓度最低,两侧边壁的泥沙浓度随开机台数的减少而增大,边机组不运行会破坏流场的对称性并在边机组与边壁区域形成死水区或漩涡区,增大泥沙浓度;基于开机组合的多工况分析,建立来流速度与流场内泥沙沉积效率的二次多项式模型。最后,开展了泥沙浓度与速度之间的相关性分析,发现泥沙浓度与横向速度平方呈幂函数关系,当泥沙粒径为25 μm且质量浓度为10 kg/m3时,进水流场的不淤速度为0.421 m/s,并且不淤速度随开机台数的减少而降低。研究结果可为含沙泵站进水系统防淤措施设计提供依据。     

侧流道泵叶轮轴径向间隙内流动特性数值模拟与验证

为了研究侧流道泵叶轮周围间隙质量流量交换规律,该文利用数值计算方法研究了侧流道泵在最高效率工况点下叶轮间隙处的流动规律,具体分析了其脉动扬程、交换质量流量、间隙处压力脉动情况、轴向速度变化等。结果表明,每旋转一个叶轮流道（18°）,扬程出现一次完整的波动周期,每个周期内扬程最大值与最小值相差0.07 m左右;间隙外缘监测点的瞬时压力值明显大于其他4个监测点,顶部监测点压力值最大,在整个周期内的平均压力值大约是最小压力监测点的2.8倍;右侧间隙靠近外缘处的流体交换最激烈,该处速度绝对值最大;流体主要是在右侧间隙外缘大约0.8～1倍间隙半径处向侧流道流入,在0.53～0.8倍间隙半径处从侧流道流出至叶轮中;净交换流曲线近似呈三角函数图像变化,交替出现减小增大反复趋势,并且净交换流的波动导致侧流道泵扬程曲线的波动。该研究可为进一步提高侧流道泵的水力性能提供理论依据。