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.

大型泵站虹吸式出水流道水力特性分析

分析了影响虹吸式出水流道水力特性的主要设计参数,在数值模拟流道内部三维流动和定性分析流道内部流态的基础上,建立了虹吸式出水流道水力特性评价指标体系。通过分析2个设计方案虹吸式出水流道的流场,定量比较驼峰和出口断面的流速分布均匀度和流道水力损失,客观评价虹吸式出水流道的水力特性,为实现水力设计优化提供了可靠依据,可有效地节省物理模型试验费用和时间,提高水泵装置效率。

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。

带虹吸式出水流道轴流泵站起动水力过渡过程研究

应用空气动力学的原理,建立了泵站最大起动扬程计算的数学模型.通过与试验结果的比较,起动过程中的水泵扬程、流量以及流道内空气压力等参数的计算结果与试验基本吻合,表明文章提出的计算方法是正确的.同时,所提出的结论和建议为我国泵站工程的优化设计和经济运行具有一定的指导意义.

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.

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。

进口流场对虹吸式出水流道的性能影响

采用数值模拟方法,把轴流泵后导叶的出口流场作为虹吸式出水流道的进口流场,研究对其水力特性的影响。计算结果表明,导叶出口流速和压力分布不均匀,存在横向流速和剩余环量,使虹吸式出水流道水力特性变差,下降段和出口段的回流区增大,驼峰断面和出口断面轴向流速分布均匀度显著下降,水力损失增加。轴流泵后导叶出口流场影响虹吸式出水流道两侧的流量分配,右侧流量恒大于左侧流量,而右侧的水力损失却小于左侧的水力损失,但两者都比无旋、轴向进水条件下的流道水头损失大得多,流量和水头损失的关系并不符合二次抛物线变化规律。

驼峰后带长直管虹吸式出水流道的水力特性试验研究

结合上海市某取水泵站工程整体水力模型试验,针对驼峰后带长直管的虹吸式出水流道虹吸难以形成的特点提出改进方法,即驼峰后下降段加长至最低设计出水位以下后加一短直管,形成一个类似倒虹吸结构,并对这种特殊型式的虹吸式出水流道进行了水力特性的初步分析研究。试验结果证明这种改进的结构能保证虹吸在较短的时间内形成;同时通过驼峰顶部排气孔是否排气的实验对比发现,驼峰顶部排气不仅可以缩短虹吸形成的时间,还可以减少机组振动,改善水流特性和运行条件。

大型泵站虹吸式出水流道水力特性分析

采用计算流体力学方法对大型泵站虹吸式出水流道的内部流场进行了数值模拟。在分析了影响虹吸式出水流道水力特性的主要设计参数、数值模拟流道内部的三维流动和定性分析流道内部流态的基础上,建立了虹吸式出水流道水力特性评价指标体系。通过分析两个设计方案的虹吸式出水流道的流场,定量比较了驼峰和出口断面的流速分布均匀度和流道水力损失,客观评价了虹吸式出水流道的水力特性,为实现水力设计优化提供了可靠依据,可有效地节省物理模型试验费用和时间,提高水泵装置的效率。

虹吸式出水流道泵站快速闸门运行新措施

分析了虹吸式出水流道泵站的快速闸门在超驼峰水位运行中存在的问题 ,提出采取快速闸门与压缩空气联合运用的新思路 .根据超驼峰水位的不同 ,在充分利用站内原有设备的基础上 ,建立不同型式的压缩空气系统 ,并根据具体情况对快速闸门进行配套改造 .通过压缩空气技术与快速闸门的配合 ,实现超驼峰水位下机组启动。

非设计工况下虹吸式出水流道内流数值分析

采用非结构化网格和SIMPLEC算法,对非设计工况下虹吸式出水流道的内部流动进行了数值分析。结果表明,轴流泵后导叶出口断面流速分布不均匀,存在横向流速和剩余环量,与均匀、无旋和轴向出流假定有明显差别。在非设计工况下,虹吸式出水流道内部流态恶化,下降段和出口段的回流区范围增大,驼峰断面和出口断面轴向流速分布均匀度显著下降。在Q=350l/s时,出口断面左右两侧质量加权平均流速分别增大了93.39%和35.54%。研究还发现,流道右侧的流量大于流道左侧的流量,在Q=250l/s及Q=420l/s时,左右侧流量比高达1∶2.33。非设计工况下流道的水力损失恒大于相同流量时设计工况下的水力损失,左侧的水力损失大于右侧的水力损失,且不符合二次抛物线变化规律。在水泵最高效率点附近,设计工况与设计工况下水力损失的差值有最小值。

基于RNG模型的虹吸式出水流道三维紊流数值模拟

虹吸式出水流道是大型泵站广泛采用的一种出水流道型式,其几何形状复杂,流道内的流动分布大多不均匀,并有局部的涡旋、回流、脱流现象.为了深入了解其流动特性,采用RNGk-ε紊流模型,对流道内流动进行三维紊流数值模拟.并通过模型试验验证了数值模拟结果的正确性.

虹吸式出水流道内流数值计算与水力设计优化

采用有限容积法、非结构化网格和SIMPERC算法,数值模拟了虹吸式出水流道内部三维流动,数值计算的有效性和可靠性得到了物理模型试验结果的验证.通过计算流道关键断面的速度分布均匀度和流道的水力损失,定量评价虹吸式出水流道水力设计的优劣,实现了虹吸式出水流道水力性能预测,依此开展水力设计优化,可节省大量的试验经费和时间.

断面形状对虹吸式出水流道水力特性的影响

应用考虑气体可压缩性VOF模型对3种不同断面形状的出水流道虹吸形成过程进行了数值模拟,并搭建了试验平台加以验证,从流速分布、水力损失、虹吸形成时间三方面分析了断面形状对虹吸式出水流道水力特性的影响。结果表明:模拟结果与试验结果有很好的一致性;虹吸式出水流道的沿程截面形状对其水力特性影响很大,合理设计的渐变断面能使流道典型断面流速、压力分布均匀,有额外的局部水头损失;方管的排气能力较圆管更佳,圆管具有更小的水力损失。

虹吸式出水流道真空破坏阀的联动控制分析

为防止泵站系统管路局部位置真空破坏,以虹吸式出水流道真空破坏阀的联动控制为研究对象,分析现地手动控制、现地PLC自动控制、现地硬接线自动控制、远程控制等控制方式的可靠性,研究真空破坏阀的联动工作机制。以南水北调来水调入密云水库调蓄工程为例,研究结果表明:通过增加软启柜硬接线、配置电磁阀按钮箱,在正常运行及事故停机时能够有效实现对水泵机组的保护;在停泵运行时,真空破坏阀打开关闭时间确定为10 s。水泵机组启动及事故停机时真空破坏阀的联动控制方案对同类虹吸式工程的设计运行及控制具有参考价值。

虹吸式出水流道虹吸形成过程数值模拟

应用RNG k-ε湍流模型及SIMPLEC算法,对虹吸式出水流道内的充水过程进行数值计算.采用VOF方法追踪自由表面,模拟流道内水气交界面的演化发展过程,再现了虹吸形成过程,分析了真空破坏阀处的流量变化情况,确定了关阀时间.数值计算结果表明,虹吸式出水流道在充水过程中,流道内空气从驼峰处的真空破坏阀中排出,水流逐渐充满流道上升段并到达驼峰处,在驼峰处分为两部分,小部分会从真空破坏阀流出,其余大部分沿着流道下降段下壁面流向出水口;在此过程中,真空破坏阀经历了排气-吸气-排气-吸气-排气-吸气的反复转换过程;当充水到一定时间后,真空破坏阀不再排出空气而是变为吸入空气;根据真空破坏阀的排气吸气过程可以确定关闭真空破坏阀的合适时间;阀门关闭后,驼峰处可以很快形成负压,产生虹吸现象,但是流道内残存的空气要经历很长时间才能完全排出.

泵站虹吸式出水流道驼峰排气过程气液两相流研究

采用RNG k-ɛ紊流模型和VOF气液两相流模型对大口径的方形管虹吸式出水流道顶部大气团的排出过程进行数值模拟,计算不同高宽比的驼峰一次性带走气团所需要的最小驼峰平均流速v_(a)和气团破碎完全带走需要的驼峰平均流速v_(b)以及排出时间t_(b)。结果显示,随着驼峰高宽比减小,一次性排出驼峰气团需要的流速v_(a)也减小,当驼峰高宽比从0.4下降到0.3时,对应的v_(a)下降了11.6%,但流速仍然很大;在较小的驼峰流速下,对气团进行破碎排出全过程模拟,经过一段时间后,气泡也能全部破碎并排出,最终形成稳定虹吸。在一定范围内,排气时间越长,驼峰处的流速越小,当t_(b)从120 s增加到180 s时,对应的v_(b)降低了16.67%。本研究对于泵站虹吸式出水流道驼峰截面尺寸设计以及泵站稳定运行具有重要意义。

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。

虹吸式出水流道水力性能数值计算湍流模型适用性

为寻求适用于大型低扬程泵站虹吸式出水流道水力性能数值计算的湍流模型,首先采用透明流道模型对某低扬程泵站虹吸式出水流道进行了试验研究,测试了流道水头损失并分析了流道内流态;在网格无关性分析的基础上,选择常用的一方程湍流模型(S-A湍流模型)、二方程湍流模型(k-ε湍流模型、k-ω湍流模型)及Reynolds Stress湍流模型分别对该虹吸式出水流道水力性能进行了三维湍流流动数值计算,并将计算结果与模型试验结果进行比较。结果表明:与一方程湍流模型和Reynolds Stress湍流模型相比,二方程湍流模型在虹吸式出水流道水头损失的计算中更具优越性,采用Standard k-ε,Realizable k-ε和SST k-ω等3种二方程湍流模型计算得到的流道水头损失相对误差小于3%,其中,Standard k-ε湍流模型计算得到的流场与模型试验结果最吻合。