大型泵站进水流道技术改造优选设计

进水流道的出口流态决定了水泵的进水条件,直接影响到水泵的能量性能、汽蚀性能和安全运行性能,在进水流道水力设计和模型试验中应给予特别重视。本文采用数值计算的方法,模拟了南水北调东线工程某大型泵站不同进水流道设计方案时的内部三维流动,计算结果与模型试验和泵站运行中观察到的实际情况相当吻合。把水泵进水条件和流道水头损失作为流道水力设计的目标函数,通过计算机数值模拟和优选,获得了优秀的进水流道设计方案。流道出口水流轴向流速的分布均匀度提高了3.26%,出口水流的偏流角减小了1°,水头损失减少了24.1%,水泵的进水条件得到了大幅度的改善。     

大型立式泵站簸箕型进水流道三维紊流数值模拟

针对典型的簸箕型进水流道 ,应用紊流模型对流道内部流态及水泵吸水管各断面流速分布进行了数值模拟 ,计算结果符合实际情况。数值计算揭示了簸箕型进水流道内流动规律 ,进水流道吸水管下方存在奇点 ,如相关设计参数不当易产生漩涡。根据计算分析 ,提出大型泵道簸箕型控制参数 ,对于工程设计有重要参考价值     

考虑弯道环流影响的平面二维水沙数学模型(Ⅰ)——模型的建立

弯道环流是影响河道断面流速、含沙量分布及河床冲淤的重要影响因素.一般的二维水流数学模型没有考虑弯道环流对断面流速及横向输沙的影响,本文在深度平均的平面二维k-ε紊流数学模型中加入反映弯道引起的二次流及横向输沙附加项,对平面二维水流运动方程和悬移质不平衡输沙方程进行扩展,使之能更准确地模拟出弯道处流速及含沙量的断面分布情况.     

Fluent软件在溢洪道泄流中的应用

运用Fluent软件采用标准k-ε紊流模型和VOF法追踪自由表面,模型进流边界按压力进口边界条件,采用UDF函数定义水流进口断面压强分布,对某水库溢洪道泄洪进行了三维数值模拟,得到了溢洪道泄流量、沿程水面线、底板压强及流速分布,计算值与试验值吻合较好。表明采用压力进口边界条件和UDF函数定义水流进口断面压强分布研究溢洪道泄流是可行的,可在泄水建筑物体形优化设计中广泛应用。     

大型泵站进水流场十字消涡板整流特性研究

为研究十字消涡板对喇叭管下方水体及进入喇叭管内部水体的整流效果，以一大型泵站为研究对象，采用CFD计算方法进行了泵站流场数值模拟。研究发现，不设置消涡装置时，进水池存在大尺度回流和旋涡，并且在喇叭管正下方存在高速度及高涡量区，从而导致水泵进口流态恶化。在设置了高宽比分别为6:8，6:15和6:24的三种十字消涡板后，进水池流场、吸水喇叭口入口断面及水泵进口断面的流速均匀性均有显著变化。相对于高宽比为6:8和6:24的方案，高宽比为6:15的方案能明显减小进水流场底面上高速区，流场变得更加均匀，使得吸水喇叭管中轴线纵剖面上的涡量分布特征值由不设置消涡装置时的0.508减小到0.101，喇叭管入口断面的涡量分布特征值由0.495减小至0.098，喇叭口入口断面的流速均匀度最大提高4.1%，水泵进口断面的均匀度最大提高3.2%。研究结果对大型泵站进水池流态控制有一定指导意义。     

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=3501／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p=2501／s及Q=4201／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。     

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.     

沙棘植物对水流表面流速横向分布影响的PIV野外试验

河渠中植被可以增大水流阻力、雍高水位并改变水流的横纵向流速分布.应用先进的PIV技术,在野外大型试验场,开展了沙棘柔性植物对水流特性影响的野外试验.根据实验数据,本文分析与讨论了沙棘柔性植物对水流表面流速沿横向分布的影响.分析表明,在恒定非淹没流作用下,无沙棘植物的对比段表面流速横向分布符合对数型顺"流舌"的光滑型态,沙棘柔性植物丛内的表面流速沿横向则呈现出反"流舌"型态,并沿整个断面的分布并不光滑,表现出沙棘植物对水流明显的阻力效应.在流出柔性植物后的对比段中,流速沿程增大,沿横向分布也开始逐渐恢复到无植物时的状态.这些对于研究河道植被阻力及滞流拦沙能力都有重要意义.     

大型循环水泵流道整流试验研究

针对某电厂大型循环水泵流道短、落差大、流道转弯多导致吸水前池进流条件恶劣的问题,对原设计流道的水流流态、水泵吸水管内流速分布和水流旋转强度等进行了试验研究。试验结果表明,吸水前池下部主流区存在较强旋度的环流涡、吸水管内存在较强的螺旋流是影响水泵进流的主要原因。采取在吸水室布置胸墙的方式进行整流,给出了优选的胸墙底部高程,实施此措施后提高了泵的可靠性。     

3种泵轴倾角斜式进水流道水力性能的比较

采用三维湍流流动数值计算的方法,对泵轴倾角为15°、30°和45°的3种斜式进水流道的水力性能分别进行了较为深入的研究,并对3种泵轴倾角的斜式进水流道分别进行了流道模型试验研究.结果表明:3种泵轴倾角斜式进水流道内的流态平顺均匀、水力损失小、水力性能优异,可为水泵叶轮室进口提供近乎理想的流态;斜式进水流道出口的目标函数...     

侧边机组故障对泵站前池流态的影响

为研究侧边机组故障对泵站前池流态的影响,本文建立了某泵站引渠、前池、进水池与吸入管三维数值模型,并基于VOF模型开展了数值计算。然后,根据计算结果分析了不同侧边机组故障情况对前池和引渠内流态的影响。最后,引入了流速分布均匀度作为量化指标,阐述了不同侧边机组故障情况对中间机组的吸入管进口流速分布的影响规律。结果表明:侧边单台机组故障时,前池内部流速分布相对无故障变化较小,但故障机组吸水池内产生大尺度漩涡,进而导致前池出口断面流速畸变,发生流速掺混现象;侧边机组全部故障时,前池内部产生大尺度涡系,造成前池出口断面流速严重掺混现象,且范围更大,并显著影响中间机组吸入管进口流态,造成进口流速不均匀分布,进而对中间机组运行产生不利影响。     

竖井位置对双向贯流泵装置水力特性的影响

双向竖井贯流泵作为一种可实现双向抽引的低扬程泵装置形式,在平原城市地区应用广泛,而竖井布置位置一直是工程实际中需要考虑的问题之一。本文通过三维造型软件建立模型,并使用全结构化网格划分方法划分竖井流道、直管流道、叶轮段及导叶段网格,数值计算控制方程为连续性方程、k-ε湍流模型方程和雷诺时均方程并采用稳态计算对双向竖井贯流泵装置进行模拟。计算分别模拟了竖井贯流泵的竖井前置、后置两种情况下泵装置叶轮正向反向运行共计四种运行情况的水力性能特性。结果表明,设计工况下无论竖井后置或是前置,泵装置正向运行效率皆高于反向运行。无论泵装置正反向运行,竖井流道和直管式流道作为进水流道时流态皆较为平顺,水力性能差异不大;泵装置正向运行时竖井流道和直管式流道作为出水流道时尽管因造型不同内部流态有所差异但总体水力损失较小。反向运行时出水流道环量不能被导叶回收,产生能量损失较正向运行大,而此时竖井流道作为出水流道水力性能要劣于直管式出水流道。     

三峡模型水轮机引水部件流动特性的试验研究

通过在蜗壳进、出口及导叶出口３个断面布置五孔测球对三峡水电站模型水轮机引水部件中流动特性的测量表明,蜗壳进口断面的流动符合圆管流动的规律,蜗壳出口断面中有明显的二次流。导叶中心线上下流动基本对称,导叶出口的总速度、各速度分量及速度环量由上至下逐渐增大。本文报导了最优工况及偏离工况的测量结果并作了初步分析,对水轮机引水部件及转轮的设计提出了有益的建议。     

离心泵在事故停泵过程中的动态特性研究

绘制了在简单泵系统中,泵出口未加阀门、加普通止回阀和加缓闭止回阀3种情况下,系统中的流量、泵的转速和泵出口压头随时间的变化曲线,计算结果对泵站工程设计和安全运行有一定的参考价值。     

泵段、水泵模型测试段与泵段效率修正

根据低扬程大型泵站泵装置出水流道的水力设计要求,修正了＂泵段＂的定义,计算了水泵模型测试段中进出水管道的水力损失,并对＂泵段＂效率进行了修正;根据修正后的＂泵段＂效率对南水北调东线工程3个泵站设计工况的＂泵段效率＂、流道效率和泵装置效率之间的关系进行了验证性计算。研究结果表明：＂泵段＂宜定义为由水泵叶轮和导叶体这两个最基本的过流部件组成;南水北调工程水泵模型同台测试提供的水泵模型综合特性曲线表达的是水泵模型测试段的水力性能,其中包含了测试段中进水管道和出水管道的水力损失;大型泵站泵装置中的＂泵段＂性能应在水泵模型测试段水力性能的基础上考虑进出水管道水力损失进行修正;由水泵模型测试段性能修正得到的＂泵段＂扬程和效率均较水泵模型测试段高,设计流量时的扬程修正值约为0.15m左右;效率修正值与水泵模型测试段扬程有关,水泵模型测试段扬程愈低,修正值愈大,其幅度约为（1～4）%。流道效率根据流道水力损失及泵装置扬程计算得到,根据流道效率和修正后的＂泵段＂效率对设计工况的泵装置效率进行预测,其结果与泵装置模型试验得到的结果相比小于1%。     

具有弯道的竖井式出水口水流均匀性研究

竖井式出水口水流受弯道段和竖直段影响,竖井周边各分流孔出流不易调整均匀,同时分流孔底板附近易出现反向流速。本文在数学模型得到试验验证的基础上,采用RNG k-ε紊流模型,对具有弯道的竖井式出水口流动特性进行三维数值模拟,分析了弯道段体型和竖直段长度对出流均匀性的影响。计算结果表明,渐缩弯道与等直径弯道比较,当竖直段长度均为2D(D为竖直段直径)时,渐缩弯道的竖井式出水口各分流孔出流较均匀;若采用等直径弯道,对应竖直段的长度增加6D~8D时,其出流均匀程度与渐缩弯道的相当。研究成果对抽水蓄能电站竖井式进/出水口的设计具有指导意义。     

对角泵叶轮基本流态研究

在介绍对角泵基本特征的基础上,运用计算流体动力学方法,对一组对角泵叶轮的基本流态进行了数值分析,对不同叶片夹角的对角泵叶轮纵断面、出口断面速度分布及叶片压力面静压力分布特性进行了定性比较和定量计算.研究发现,对应于不同的叶片夹角,对角泵叶轮的能量性能差异很大.轴流泵叶片对角布置后,离心力的作用使对角泵叶轮的扬程提高.与对应的轴流泵相比,对角泵的最优效率点向小流量方向偏移,高效区变宽.过大或过小的叶片夹角都不利于叶轮效率的提高,应通过优化设计确定最优夹角.计算结果表明,叶片夹角为150°的对角泵叶轮能获得较高的流量加权平均效率.随着叶片夹角和流量的减小,对角泵叶轮的功率不是增加而是减小,功率特性由轴流泵逐步向离心泵过渡.     

竖井式进/出水口工程尺度SPH方法模拟研究

抽水蓄能电站是清洁能源体系的重要调节设施,进/出水口的水力特性直接影响抽水蓄能电站运维和收益。抽水蓄能电站竖井式进/出水口水力特性的数值模拟多采用基于网格的欧拉方法,但由于弯管段体型突变,导致孔口区域流场计算精度下降。为了克服欧拉法网格畸变的不足,本文尝试无网格的拉格朗日光滑粒子流体动力学SPH方法对含弯管段的竖井式进/出水口水力特性进行工程尺度精细模拟。结果表明,通过GPU硬件加速,实现了工程尺度的千万级粒子数SPH模拟计算,结果精度较高;对比模型试验结果,发电/抽水工况下上水库至直管段水头损失系数模拟相对误差为15.79%和19.51%,孔口断面流速不均匀系数模拟相对误差为6.30%和3.20%;对比PIV测量结果,弯管段模拟结果一致性较高,但扩散段流动分离现象较明显;对比不包含弯管段的Fluent计算结果,导流锥附近无漩涡且孔口回流区域面积更小。研究发现,相较于欧拉法,SPH方法更清晰地模拟流动分离、二次流等复杂紊流现象,且在局部体型突变处模拟更贴近实际流动特征,具有较大模拟应用潜力。     

抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配研究

对于抽水蓄能电站侧式进/出水口流量分配,规范规定进/出水口相邻中边孔道的流量不均匀程度不超过10%,但实际工程设计难以达到此要求。本文以某抽水蓄能电站上水库侧式进/出水口为例,通过改变进/出水口各体型参数,利用三维紊流数学模型,重点研究了扩散段分流墩中边孔道宽度比、扩散段分流墩中墩墩头位置、扩散段长度等体型参数对各孔流量分配的影响。研究表明,对于4孔流道的侧式进/出水口,调整扩散段分流墩中边孔道宽度比、中墩墩头较边墩墩头缩进距离、扩散段长度,能有效改善流量分配不均匀程度,但相邻中边孔道的流量不均匀程度较难满足小于10%的要求。其他体型参数,例如圆变方渐变段长度,对流量分配不均匀程度的改善作用较小。研究成果对侧式进/出水口的设计具有指导意义。     

进/出水口出流扩散脉动流速规律试验研究

侧式进出水口出流工况水流呈现扩散态,拦污栅断面脉动流速很大,可能危及拦污栅安全,其脉动流速变化规律及产生原因有待进一步探讨。本文建立了典型进出水口试验装置,利用激光多普勒流速仪与声学多普勒流速仪开展试验研究。结果表明：在靠近扩散水流末端的拦污栅断面脉动流速很大,流速脉动值可达时均值的1.8倍,平均紊动强度为0.724,该断面流速脉动呈现出明显的正态性,其概率密度分布基本服从正态分布;水流自输水隧洞段经扩散段、调整段、防涡段、向库区流动的过程中,紊动强度沿程呈现先增大后减小的变化规律,水流在输水隧洞段脉动流速小,在扩散段及调整段内脉动流速沿程均较大,脉动流速值接近时均值,甚至大于时均值,进一步解释了拦污栅断面脉动流速很大的原因。拦污栅断面及进出水口沿程的脉动流速规律有别于对脉动流速的一般认知规律。研究成果将为进出水口体型参数优化及分析引起拦污栅振动破坏提供理论依据。