竖井式贯流泵进出水流道优化CFD仿真计算

结合引江济淮工程(河南段)赵楼竖井式贯流泵站进水流道、出水流道优化,应用CFD(计算流体动力学)技术对赵楼泵站进、出水流道,叶轮,以及导叶内的流动进行三维紊流数值模拟,确定了综合考虑泵段性能、超声波流量计安装要求和土建投资的进出水流道优化方案。研究结果表明:进水流道竖井头部和尾部的收缩曲线影响流线流速分布;减小进水流道竖井总长度,同时,竖井头部形状为渐变收缩、尾部形状为圆弧的进水流道方案总体水力性能较好。直管式出水流道的断面面积及断面平均流速变化均匀,并且水力损失较小。研究结果可为大中型竖井式泵站的进、出水流道优化提供理论参考。

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。

基于CFD模拟的大型低扬程泵站低驼峰式出水流道水力优化研究

低驼峰式出水流道结构设计不当易引发偏流现象,将严重影响大型低扬程泵装置的安全稳定运行。依据浙江省某泵站的有关参数,采用三维数值计算的方法,对泵站整体模型水流流场进行模拟,并通过物理模型试验进行计算可靠性验证。结果表明,湍流模型Realizable k-ε的计算结果与试验结果最接近;泵站低驼峰式出水流道空间流线随过流断面的扩散而扭曲,其扭曲程度随流量的减小而加强;在低驼峰式出水流道中设置中隔墩有助于优化流场,但会使低驼峰式出水流道的水力损失增加;通过对不同几何参数的中隔墩进行多方案比较,发现在低驼峰式出水流道中设置长为3.90D、宽为0.10D的中隔墩流场优化效果最佳。研究结果可为同类型泵站工程优化设计提供一定借鉴。

中山市横栏镇九顷泵站进出水流道CFD优化分析设计

本文对排涝泵站的流道水力损失、水泵装置效率进行研究,研究主要集中于进、出水流道型式和设计参数影响的问题。根据原型泵主要设计参数,通过CFD技术建立数学模型,得到泵站内任意位置的流动细节如速度、压力、能量损失、压力脉动、湍动量和漩涡等,从而进行水泵装置的特性预测及性能优化。研究结果表明,九顷泵站优化设计的进、出水流道水流速度分布均匀,内部流态较为平稳,流道水力损失较小,可满足水泵高效运行的要求。进、出水流道布置型式及尺寸可供相近参数的立式轴流泵泵站工程设计参考。

虹吸式出水流道与直管式出水流道的比较

对于立式泵配套使用的虹吸式和直管式这两种型式的出水流道进行了多方面的比较和分析,得到以下结论:①在较低扬程的条件下,虹吸式出水流道的水力损失明显小于直管式出水流道;②虹吸式出水流道的断流方式简单、可靠、投资少,直管式出水流道的断流方式难以与其相比;③在水位满足虹吸式出水流道应用条件的情况下,采用虹吸式出水流道比采用直管式出水流道更为可靠、更为经济、更为合理;④应对立式泵装置出水流道型式的选择予以高度重视。

轴流泵装置导叶出口水流速度环量对出水流道水力损失的影响

为了定量研究大型泵装置导叶出口水流的速度环量对出水流道水力性能的影响,提出了泵装置导叶出口断面水流的速度环量定量表示方法和平均角速度的测量方法,分别采用数值计算和模型试验的方法研究了导叶出口水流的剩余环量对虹吸式出水流道和直管式出水流道水力损失的影响。结果表明:导叶出口水流的环量对出水流道水力损失的影响较为明显,存在使出水流道水力损失最小的最优环量,虹吸式和直管式出水流道的最优环量分别为0.972和1.308 m2/s;虹吸式出水流道和直管式出水流道最优环量时的水力损失计算值较零环量时的水力损失计算值分别小0.126和0.180 m。研究结果不仅有助于改进低扬程泵装置出水流道的优化水力设计,同时对改进轴流泵导叶的优化水力设计也有重要意义。

基于RNG湍流模型的双向泵站出水流道流动计算

低扬程双向流道泵站是我国独创的泵站型式,为深入了解其流道内流场特性,首次运用基于壁面律的RNGk ε的湍流模型对流道进行数值模拟。计算采用交错网格的有限体积法求解三维不可压Navier Stokes方程。提出优化出水流道的目标函数,并依据数值模拟结果,预测出水流道水力损失。根据经验公式计算的水力损失和预测的出水流道水力损失两者较为接近,表明通过采用基于壁面律的RNG湍流模型能较好地预测出水流道的水力性能。考虑壁面律的RNG湍流模型在泵站流道内特性数值模拟和外特性预测研究方面有较好的推广价值。

低扬程泵站箱涵式出水流道水力特性试验

对泵站箱涵式出水流道5种不同出水喇叭口悬空高度、4种不同后壁距及矩形、半圆形和对称蜗壳形3种后壁型线以及导叶后无扩散喇叭管方案进行了试验研究。测得了喇叭口不同悬空高度时流道的水力损失,分析得出了不同佛汝德数下流道水力损失随喇叭口悬空高度变化的规律。对4种不同后壁距及不同后壁型线时流道的水力损失进行了测试和分析比较并观测了流道内流态。

泵站箱涵式出水流道三维湍流数值分析

采用雷诺平均纳维—斯托克斯方程(RANS)和基于壁面律的RNGk-ε湍流模型,运用SIM-PLEC算法,模拟了导叶后扩散段喇叭口至流道顶板7种不同高度hp时箱涵式出水流道的三维流场,预测了旋涡的发生位置和形态,分析各方案的流道水力损失规律.结果表明:当hp/D1<0·2时(D1为喇叭口直径),喇叭口为环向出水,再增大则渐变为单向;环向出水时,后壁区居中处,有一旋涡存在而单向出水,则为对称旋涡.相同流量下,扩散段喇叭口至顶板距离越小,则水力损失越大,当hp/D1<0·20时,水力损失随hp/D1减小而急剧增加.

轴流泵出水流道水力损失试验研究

受导叶出流环量、出水弯管二次流等因素的影响,轴流泵单孔出水流道内为复杂的螺旋流,双孔出水流道左孔流量大于右孔流量,水力损失异常。采用五孔探针准确测定流道断面水流能量,实测分析出水流道水力损失特性,探讨减阻措施。结果表明,出水流道水力损失不符合与流量平方成正比的关系。与等圆出水管相比,渐扩出水流道可以减小水力损失,提高泵装置效率10％～30％;对单孔流道,轴流泵出口环量过大,增大了水力损失, 而微小环量会使水力损失略有减小;对双孔流道,两孔流量不等,存在偏流,水力损失增大。采用微小出流环量或无出流环量后导叶,可减小出水流道水力损失,提高泵装置效率6％-11％。

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。

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。

大型泵站虹吸式出水流道三维紊流数值计算

利用RNGκε湍流模型,闭合定常不可压雷诺时均NS方程,采用有限体积法和非结构化网格,数值模拟了设计工况下某大型泵站虹吸式出水流道的内部三维流动,并分析了流道内部流态,对驼峰断面和出口断面的速度分布特性进行了定量计算.结果表明:流道的水力损失和阻力系数分别为0.204m和3.188×10-3,驼峰断面和出口断面的速度分布均匀度分别为73.9%和65.4%,实现了流道水力特性的预测,为虹吸式出水流道水力设计优化和模型试验研究提供了参考依据.

大型泵站双孔出水流道偏流分析

原型观测和模型试验都表明,轴流泵和导叶式混流泵双孔出水流道两孔流量不等,存在偏流.指出流道水力损失与水流环量有关,分析偏流对流道水力损失和泵装置效率的影响,研究偏流形成机理,提出消除偏流的方法.结果表明:水泵出流环量和出水弯管二次流共同作用形成了出水流道偏流,偏流使出水流道水力损失增大,泵装置效率下降.增大后导叶出口安放角,可以消除环量和偏流,提高泵装置效率1.6～2.4个百分点.

大型水泵出水流道优化水力设计

研究大型水泵出水流道扩散角、断面形状和中心线走向对水力损失的影响,提出当量扩散角概念．以包括沿程摩阻水力损失、扩散水力损失和出口水力损失在内的总水力损失最小为目标,对出水流道扩散角和断面形状进行优化,提出流道中心线走向优化的原则。研究结果表明,在进、出口断面位置一定的情况下,出水流道存在最优扩散角,使总水力损失最小。试验证明,由于水泵出水弯管的作用,出水流道实际开始脱流的扩散角小于理论计算的最优扩散角；采用优化渐变扩散角,可使水力损失进一步减小；矩形流道断面以正方形为最优,且存在最优角圆,使单位长流道沿程水力损失最小。成果对减小出水流道水力损失,实现泵装置优化设计,提高泵装置效率有重大意义。

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.

立式轴流泵出水流道流场试验研究

大型低扬程水泵采用渐扩出水流道,比水流道水力损失占泵扬程的15%～20%左右。为立式轴流泵设计制作了不同扩散角、无中隔板和有中隔板多种透明出水流道,采用五孔探针测定和丝线观测出水流道内流场,研究流场形成机理,分析流动规律,并与等圆出水管内流动比较。结果表明,由于后导叶出流环量、泵轴旋转诱导、出水弯管二次流和扩散的影响,出水流道内为复杂的螺旋流,断面轴向流速和周向流速分布不均匀、不对称,不均匀程度大于等圆出水管内流动,断面环量有向周边集中的趋势。成果对大型轴流泵装置出水部分的优化水力设计,提高泵装置效率有重大意义。

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。

大型泵站蜗壳式出水流道三维紊流数值模拟

采用RNGk-ε湍流模型闭合雷诺时均Navier-Stokes方程,数值模拟了某大型混流泵装置中蜗壳式出水流道的内部流动,在分析关键断面流态的基础上,对该出水流道的水力特性进行了预测。模拟结果表明,蜗壳式出水流道的内部流态非常复杂,在一些区域有局部涡流和脱流现象,流速分布均匀性较差。蜗壳出口和流道出口断面的轴向流速分布均匀度曲线均为开口向下的曲线,而出口水流偏流角曲线则是开口向上的曲线,对应于水泵装置最高效率点,两者分别达到最大值和最小值。水头损失随流量变化而变化,在水泵装置最高效率点达到极小值。水泵装置在偏离设计工况大流量侧运行时,出水流道的水头损失迅速增加,装置效率急剧下降。

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0.024 m和0.033 m;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.