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。     

基于全流道模拟的泵装置出水流道水力特性分析

为研究低扬程泵装置出水流道的水力性能,采用CFD方法对泵装置进行全流道数值计算,并通过模型试验对数值计算结果的准确性进行验证。分析了隔墩对出水流道水力性能和泵装置能量特性的影响,阐述了出水流道流量不平衡的问题以及环量对出水流道内部流动特性的影响。结果表明:对于低扬程泵装置,出水流道的隔墩对泵装置能量性能的影响较大,应尽量避免设置隔墩;在出水流道中,隔墩前伸会增加出水流道的水力损失,导致两孔流量分配更加不相等,隔墩后伸对两孔流量的分配无影响但会增加出水流道的水力损失,从而降低泵装置的水力性能。无环量时出水流道的水力损失与流量呈二次方关系,有环量时出水流道的水力损失增大,且内部流态变得复杂。出水流道的内外特性与泵装置的运行工况有关系,应避免将出水流道独立地从泵装置系统中脱离出来进行水力性能的计算分析。     

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。     

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。     

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°.     

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。     

隔墩对轴流泵装置直管式出水流道内流及脉动的影响

为分析隔墩对直管式出水流道内部流态及压力脉动的影响规律,基于立式轴流泵装置物理模型,采用在直管式出水流道壁面布置丝状红线和压力脉动传感器的方法进行了试验。结果表明,小流量工况时,有无隔墩的直管式出水流道内壁面红色丝线均呈大角度倾斜状;在最优工况和大流量工况时,直管式出水流道内壁面红色丝线趋于水平状,流量越大红色丝线越趋于水平。无隔墩的直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值均高于有隔墩的直管式出水流道脉动幅值均方根的平均值。相同转速时,有无隔墩的直管式出水流道各监测点的脉动幅值均方根均随流量的增大而减小;相同流量比时,各监测点的脉动幅值均方根随转速的增加而增加。不同转速下各最优工况时,有隔墩的直管式出水流道各监测点的脉动主频与转频呈整倍数关系。隔墩对直管式出水流道内部水流流态有一定的调整作用,可降低脉动幅值,但不同工况时隔墩对直管式出水流道内流的改善效果还取决于导叶体出口剩余环量和流量。     

基于全流场的泵装置出水流道内流特性分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道的流动特性,以一立式轴流泵装置为研究对象,基于全流场非定常计算,结合湍动能和流线分布以及压力分布,分析出水流道内非定常流动特性;基于Q准则,在小流量工况下对流道内涡旋结构进行可视化分析;基于特征值法和涡量法,对不同工况下1个非定常旋转周期内的出水流道里的涡核进行提取.结果表明:小流量工况下,出水流道的入口处产生的涡旋结构数量最多,流道内提取到的涡核数量也最多;出水流道内的涡核强度从流道入口处往后逐渐减弱;2种方法均在额定工况下提取到的涡核数量最少,并且额定工况下流道中后部均未出现涡核.掌握出水流道内流特性及涡核分布,有助于今后优化设计出低水力损失的出水流道.     

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。     

前、后置竖井贯流泵装置基本流态分析

利用数值模拟软件Fluent 6.2对雷诺时均N-S方程进行离散,采用S-A单方程模型和SIMPLEC算法对前置竖井和后置竖井贯流泵装置在50％~120％设计额定流量等共16种工况进行了数值计算,并与换算成原型尺寸后的模型试验结果进行了对比,发现性能变化趋势吻合较好,在相同流量下数值计算值与试验值效率误差均在±5%以内。分别对前、后置竖井贯流泵装置的进水流道、泵室段和出水流道在设计流量工况下的基本流态进行了分析和对比,探讨了水力损失的原因。结果表明,前置竖井贯流泵装置的进、出水流态都比较好,而后置竖井贯流泵装置的进水流态均匀平顺,但出水流道的流态比较混乱,水力损失相对较大,装置效率低于前置竖井贯流泵装置;导叶和竖井是影响出水流道流态和装置效率的关键因素,在导叶环量和竖井的影响下极易产生脱流和漩涡。     

大型排水站超驼峰水位运行的技术措施

分析了虹吸式出水流道大泵机组在出水口水位超驼峰状态下完成停机防洪、开机排涝以及事故停泵等３项技术任务中存在的问题,根据泵站的条件和要求,提出了应用压缩空气技术为中心的综合措施,以最低的费用完成对泵站系统的改造,从而建立起一套完整的处理超驼峰状态下泵站运行的技术措施。     

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.     

南水北调东线工程泗阳站流道型式的比选

南水北调东线工程泗阳泵站采用立式轴流泵装置,在初步设计阶段提出了流道方案1（肘形进水流道、虹吸式出水流道）和流道方案2（钟形进水流道、蜗壳出水流道）2种流道型式.从水力性能、水泵结构、安装检修、断流方式及工程投资等方面对这2种方案进行了比选.经技术经济综合比较,得到主要结果：方案1的进、出水流态和流道水力性能优于方案2;方案1的断流方式更为简单可靠,且日常维护工作量少,具有明显优势;方案2的水泵结构较复杂、安装检修不便;方案1的泵房土建尺寸较大、土建投资较多;方案1的工程总投资比方案2要节省约146.5万元.比选结论：泗阳站流道型式的2种方案各有特点、均可应用,但方案1总体上具有更明显的优势,宜优先采用.泗阳站根据比选结果最终采用了方案1.     

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．     

轴流泵装置出水流道内流脉动与流动噪声试验分析

为了研究立式轴流泵装置出水流道内流脉动及流动噪声的变化规律,采用在出水流道布置压力传感器和水听器的试验方法研究分析了轴流泵装置不同转速、不同流量时出水流道的内流脉动及流动噪声的时频特性。结果表明:相同流量比时,各监测点的脉动幅值均方根均随转速的增加而增加。相同转速时,各监测点的脉动幅值均方根均随流量比的增大而减小,不同流量比时各监测点的脉动主频存在差异性;不同转速相同流量比时同一监测点的脉动主频存在差异性;不同转速不同流量比时各监测点的脉动主频以51 Hz为主,脉动主频和脉动次主频均未与转频呈整倍数关系,脉动主频和次主频均在200 Hz范围内。相同流量比时出水流道内部流动噪声的声压级随转速的增加而增加,转速对最优工况时出水流道流动噪声的声压级影响较明显。相同转速时,出水流道内部的流动噪声随流量的增加呈先减小后增大的趋势。根据出水流道内流脉动幅值分析,应尽量避免低扬程泵装置在小流量工况运行。     

泵站出水流道模型水力损失的测试

根据低扬程水泵装置的研究方法可以多样化的观念,提出了将泵站出水流道模型从水泵装置模型中分离出来单独进行水力损失测试的新方法,介绍了该方法所采用的测试装置、水力损失计算方法及误差分析等有关问题.与传统测试方法相比,该方法的特点是：以较少的费用、较短的周期获得准确的结果.对2个不同几何形状的出水流道模型进行了水力损失测试及比较,试验结果表明：出水流道的水力损失与其几何形状有非常密切的关系.