泵站内部流动分析方法研究进展

泵站是调水、供水、灌溉和排水系统重要基础设施,其水力性能直接影响系统的安全性、稳定性和工程效益。泵站内部流动分析涉及泵站、流体动力学和数值理论等多个学科,分析方法已由传统的一维半经验半理论阶段发展到了基于计算流体动力学的现代三维黏性阶段。本文综述了泵站内部流动分析过程中涉及的湍流模型、几何模型、网格模型、数值离散模型和解算模型,阐述了研究泵站进水池表面旋涡、泥沙与空化特性、水力激振特性、水力瞬变特性及水力设计的基本方法和过程,总结了泵站流动分析方法方面的最新研究成果,展望了未来发展趋势及主要研究课题。     

基于水锤分析的长距离输水系统泵站改造研究

由于长距离输水系统水源切换,输水泵站发生改变,导致长距离输水系统水力条件发生变化,进而影响其水力过渡过程及水锤防护设备的选择。因此需在常规的泵站改造可行性分析基础上增加水力过渡过程模拟。结合中国东北地区某长距离输水系统泵站改造实例,通过建立水力过渡过程模型,对各改造方案进行水锤分析,综合确定合理的改造方案。结果表明,对变更泵站的长距离输水系统进行水锤分析可有效指导泵站改造的可行性研究。针对水力条件发生重大改变的长距离输水系统重新进行水力过渡过程模拟,可提高供水可靠性,为系统变更提供科学、合理的依据。     

瞬变流中MIAB摩阻模型的数值模拟研究

水力瞬变现象是长距离输水系统安全运行时需要考虑的主要问题。由于传统"拟稳态"模型不能准确预测压力波的峰值以及水锤波的衰减过程,因此引入更准确的非恒定摩阻模型模拟瞬变流成为工程安全运行研究的重要内容。本文利用模型试验,通过采用恒定摩阻模型及MIAB摩阻模型进行数值模拟计算,定量分析了两种模型的模拟计算结果与实测压力值的吻合程度,对比分析模型的优劣,提出了通过改进Brunone摩阻系数k的经验公式、现场校正波速和摩阻系数f及研究长距离复杂供水系统的瞬变流动特性,以期进一步提高MIAB摩阻模型模拟计算精度。     

液体管道高频水力瞬变过程的数值模拟

目前在液体管道高频水力瞬变分析中,人们通常采用经典的拟稳态摩阻模型进行分析.但这种方法针对管壁切应力具有拟稳态特性的缓慢瞬变的分析是可行的,而对高频瞬变流动过程而言却不能准确预测水击压力波具体的衰减过程以及出现的波形畸变现象.介绍了一种新的考虑瞬时加速度对高频水力瞬变过程影响的非恒定摩阻模型,并结合特征线法给出了其数值解法,最后通过实例验证了该模型能比经典的拟恒定摩阻模型更为准确地模拟液体管道中高频瞬变流压力波的衰减和波形畸变.该模型对计算机的要求和计算耗时与经典的拟稳态摩阻模型相差不大,是一种具有良好工程应用潜力的液体管道高频瞬变分析数学模型.     

有压管道瞬变流摩阻的数值模拟

以特征线方法为基础建立了求解有压管道水流瞬变过程的主环模型，，编制了简单有奔放这道汉动瞬变过程的分析程序，数值计算中引入了非恒定摩阻项，将这个模型有用于非恒定层流计算，得到了比较合理的结果，能反映压力波形的畸变和近壁区的以向流动，证实了模型的可行性     

某泵站前池流态模型试验研究

某闸站结合式泵站结构形式复杂,前池易存在严重的不良流态.该文以某泵站为例,采用物理模型试验对其前池的流态进行预测,在设计水位抽排工况下,6台泵全开、自排孔关闭时进行模型试验,为某闸站结合式泵站前池流态分析提供参考.试验结果表明:原设计方案下,前池内出现逆时针方向的回旋流动且回旋流动的范围主要位于导流墙的周围,从而容易在水泵中产生汽蚀.针对原设计方案存在的不足,对其进行改进,得到了一种较优的设计方案,即延长导流墙并开三孔且在前池增加消力墩的方式,该方案能够有效地改善泵站进水条件.     

泵站侧向进水三维流动数值模拟

为研究闸站枢纽泵站进水流动特性,运用三维湍流数值模拟的方法,模拟了枢纽进水流动形态,对进水回流的形态及位置进行了计算分析。结果表明:枢纽泵站前池流态的主要影响因素为闸站结合部隔流墙及上游河宽与前池宽度的比值;在各种流态改善措施中,前池设置导流墙能取得较理想的整流效果;对于闸站合建枢纽此类侧向进水流动,底坎、底坡等措施整流效果不大。     

长距离输水泵站机组选型探讨

长距离输水泵站机组选型合理与否，对泵站工程投资和年耗电费影响较大。本文以年费用最小法建立了长距离输水泵站机组选型的数学模型和管道优化设计的线性规划模型，并附有算例和解法。     

基于水力瞬变仿真的某大型泵站停机方案改进计算研究

建立了泵站系统水力瞬变过程仿真数学模型,并经与实测数据对比验证了数学模型的正确性,编制了相应计算程序,对某大型泵站停机过程中的剧烈振动问题进行了水力计算分析,提出了改进的水泵正常停机方案,经应用于工程实际表明,该停机方案能有效改善目前的水力振动现象。     

大型泵站箱形进水流道内部流动数值模拟

箱形进水流道在我国的大型低扬程双向泵站已有较多的应用。本文应用雷诺时均方程和标准k—ε紊流模型对某大型泵站的箱形进水流道内部三维流动进行数值模拟,深入分析了进水流道内不同断面的流速和压力分布,揭示了箱型进水流道内水流的流动规律,并预测了不同工况下进水流道内的水力损失,计算结果可供大型低扬程泵站的设计、改造参考。     

油田采出水中硫酸盐还原菌的臭氧杀灭动力学及试验研究

油田采出水中的硫酸盐还原菌 (SRB)可造成油田注水系统注水管材、设备的腐蚀、结垢乃至油层的堵塞等严重危害。通过臭氧对SRB的灭菌试验 ,确定适宜的控制条件为 :臭氧投量C =0 4～ 0 6mg/L ,接触反应时间t >2 5min ,Ct>2 0mg·min/L ;对杀菌机理进行了探讨 ,建立了动力学模型 ,验证结果表明该模型可较好地描述臭氧杀灭SRB的动力学过程 ;研究成果可为今后油田采出水回注处理提供技术参考和理论依据。     

稠油掺稀多相流动规律及生产参数设计

研究了塔河超深稠油掺稀井多相流动规律。根据不同的掺稀方式给出了超深井稠油掺稀井井筒中流体温度梯度的计算方法。结合掺稀特点,给出了超深井稠油原油物性模拟的修正模型,其结果与PVT曲线具有良好的相关性。通过引入井眼轨迹的描述与计算技术,解决了超深井弯曲井段的多相流计算问题。在此基础上,根据能量平衡及多相流体力学原理建立了稠油掺稀生产动态分析模型,实现了对超深井稠油掺稀生产动态的模拟和分析,并据此可对稠油掺稀比例及生产参数进行优化设计,现场应用收到了良好的效果。     

海底悬跨管道在波流和地震联合作用时的模型试验研究

利用波浪-水流-地震联合模拟试验系统,研究了在波浪、水流和谐波地震荷载单独作用或联合作用时海底悬跨管道的动态响应特征。通过试验采集的加速度和动水压力数据分析了管道的悬跨长度、管内状态、外界荷载组合对于管道基频以及动力响应的影响规律。结果表明:随着悬跨长度的增加,管道自振频率减小且管道的动力响应显著增大;水流流速、波浪高度和周期在一定范围的增大会引起管道动力响应增大;三种荷载联合作用于管道时的动力响应大于荷载单独作用,且地震荷载起主要作用,波浪、水流荷载起次要作用。     

海上溢油漂移扩散的数值模拟

该文基于三维自由水面垂向分层动网格的Euler-Lagrangian模式,采用VC方式(Vertex-Centered)的非结构化有限体积方法离散三维浅水方程,模拟渤海的潮汐水流运动过程。以此为水动力背景场,采用油、水分离的Lagrangian粒子追踪模型,对渤海海域发生的溢油漂移扩散问题进行模拟。其油品的蒸发、乳化和溶解等风化作用以引入综合衰减系数的方式考虑。模型对油膜的漂移路径、厚度和面积进行了实时模拟和预测,用多个测站的同步连续实测值对水动力模式进行了参数率定与模型验证,油膜输运扩散的计算结果也与相关报告数据进行了对比,均吻合良好,说明模型具有较高的可靠性与重现性。     

大跨斜拉输水管桥水锤冲击响应研究

大跨斜拉输水管桥管道内水锤效应往往对桥梁结构安全产生重要影响。建立了某斜拉输水管桥有限元模型,对比分析水-管-桥结构的动力特性,进行了管-桥共振复核。通过特征线法求解水锤基本方程,计算了输水工况转换过程中不同阀门关闭历时产生的水锤压力,分析了水锤冲击作用下管桥主要构件的动力响应,对比研究了水锤荷载不同加载方式及不同关阀历时对管桥构件响应的影响规律。结果表明：管道空管及充水满管情况下的自振频率与桥梁结构的固有频率错开度较大,二者没有发生共振的可能;非均匀加载方式使得管桥各构件动力响应相对均匀加载显著增大,位移和应力的增幅大都超过50%,但不会引起构件的失稳或破坏;随着阀门关闭历时的增加,水锤冲击作用减弱,管桥主要构件的动力响应降低,钢桁梁组件中K型支撑杆、横梁、腹杆的响应下降幅度相对较大,桥塔的响应下降幅度较小。     

不平衡效应对稠油渗流的影响

本文利用稠油的多组分模型，研究了不平衡效应对粘弹性稠油在多孔介质中渗流的影响。通过建交我孔介质中存在不平衡效应的一维有界不稳定直线渗流的数学模型，分别推出了渗流初期和后期的压力分布解析式，并与一般牛顿流体渗流进行了比较。结果表明，不平衡效应使得渗流过程中的压力下降缓慢，在实际的稠油开采中，要合理的利用稠油的粘弹特性。     

库水位升降作用下锦屏一级水电站左岸边坡地下水渗流特征研究

为了研究锦屏一级水电站蓄水过程中库水位变化对边坡地下水渗流特征的影响,将左岸边坡构建精细的地质模型,并以饱和—非饱和渗流理论为基础,应用Geostudio Seep/W分别对5个库水位升降工况进行数值计算。结果表明:当库水位上升时,地下水渗流方向会由指向坡外变为指向坡内,而坡表的孔隙水压力首先增大,浸润线呈现出上凹的特征。当库水位下降时,地下水渗流方向会由指向坡内变为指向坡外,坡表的孔隙水压力快速减小,浸润线呈现出下凹的特征。而无论是库水位下降还是上升,岸坡内的渗流场变化始终会滞后于库水位的变化。产生这种滞后现象的原因与库水位升降速率和坡体渗透系数的大小有关。当渗透系数小于升降速率时,渗流场的动态变化就会产生滞后现象,并且库水位升降速率越快这种滞后现象越明显。     

管道充水过程气液两相流动力学特性分析

管道充水过程涉及复杂的气液两相瞬变过程,合理分析、评价其两相动力学特性对工程的优化设计、安全运行,以及数值模拟研究具有重要意义。基于量纲分析和相似理论,建立了充水过程的气相模型相似律,认为通气孔排气过程的动力相似律可近似套用重力相似律,据此推导出了管内滞留气囊原、模型的几何比尺关系。将建立的气相模型相似律应用于南水北调北京段西四环暗涵通气孔水工模型试验,分析了充水全过程中两相流各动力学测量参数,得出暗涵合理的充水流量。最后采用定量和定性分析相结合的方法,对管道中滞留气囊对输水能力的影响进行了评价。     

一个非均质流水力坡度解析的新模型

提出了预计水平管道内固体颗粒处于多种移动状态下非均质流速度断面与水力坡度的模型，为非均质流管道运输的参数设计提供了一个新方法。     

斜坡式防波堤前海冰堆积数值模拟

本文将海冰在斜坡式防波堤前的堆积过程简化为二维的动力学问题，假定海冰为粘弹性体，在多边块体运动模拟系统基础上，采用离散元数值方法对冰排爬升堆积过程进行了实时仿真模拟。通过与二维理论断裂模型及物理模型试验结果对比，证明了此数值模型的合理性与可行性。