基于三维数值模拟的某泵站枢纽前池流态分析与改善

摘要

前池是泵站的重要组成部分，其作用是引导水流在由引渠流向进水流道的过程中保证水流均匀平顺地扩散，为泵站的稳定运行创造良好的进水条件。但在工程实际应用中，当泵站与水闸并列布置共用前池时，泵站枢纽前池内水流流态非常复杂，往往难以满足工程运行的要求。因此，通过一定的措施来改善泵站枢纽前池的流态，对于枢纽各建筑物的高效稳定运行具有重要意义。 某泵站枢纽为泵站与水闸并列布置形式，由3台水泵机组和2孔排水闸共同构成。本文依托该泵站枢纽的工程建设，以流体计算软件FLUENT为平台，依据雷诺Navier-Stokes方程和标准k-ε湍流模型对该泵站枢纽前池的流态进行了数值模拟研究，基于提出的前池流态改善目标对前池流态作出定量评价，并针对前池流态存在的问题提出了有效改善措施。本文的主要研究成果如下: (1)该泵站枢纽在泵站运行时，针对原方案前池内出现了旋涡和强劲的横向流动等不良流态，分别提出了3个方面的改善措施:第一，采用导流墩将清污机桥桥墩与机组中墩、流道中墩连接起来，有效地解决原方案中的横向流动问题，且增设的导流墩起到抑制前池内旋涡、减轻主流向北偏斜程度的作用;第二，研究了不同导流墩长度对前池流态的影响，结果表明导流墩长度越长，水流在流入进水流道前越能得到足够的调整，越有利于前池流态的改善;第三，研究了不同前池底坡坡度对前池流态的影响，结果表明随着前池底坡减缓，前池底层的局部旋涡强度和范围逐渐减小甚至消失，进水流道进口断面流速分布均匀度得到提高，前池流态明显改善。 (2)该泵站枢纽在排水闸运行时，排水闸原方案北孔进口处存在较大旋涡，对主流产生挤压，使进闸水流分布不匀，增加了水力损失，降低了水闸的过流能力;在排水闸两孔进口前增加的导流墙发挥了良好的导流作用，减小了北孔进口背水侧旋涡范围，进闸水流受挤压现象显著减轻，南、北两孔流量分布均大为改善，弧形导流墙改善排水闸进水流态的效果优于折线形导流墙。 (3)为全面了解泵站不同开机组合情况下的前池流态，本文对泵站运行时7种不同开机组合下前池的流态均进行了研究;计算结果表明，前池最终改进方案在各开机组合下的水流顺畅、流速变化较为均匀、无有害旋涡等不良流态，为保证水流能够平顺地进入进水流道创造了很好的水力条件。

目录

摘要

符号说明

第1章绪论

1．1研究目的和意义

1．2国内外泵站前池研究现状

1．2．1模型试验研究

1．2．2数值模拟研究

1．3本文研究背景

1．3．1工程概况

1．3．2泵站与水闸并列布置工程的特征

1．4计算流体力学的发展

1．4．1 CFD方法简介

1．4．2相关软件简介

1．5本文的研究内容及方法

第2章泵站枢纽前池三维流场数模理论简述

2．1控制方程

2．1．1连续性方程

2．1．2动量方程

2．1．3能量方程

2．2湍流的数值模拟方法

2．2．1直接数值模拟

2．2．2大涡模拟

2．2．3雷诺平均法

2．3湍流模型

2．4边界条件

2．4．1进口边界条件

2．4．2出口边界条件

2．4．3壁面边界条件

2．4．4对称边界条件

2．5控制方程的离散

2．6流场的SIMPLEC算法

2．7本章小结

第3章泵站枢纽泵站运行时前池流态改善措施

3．1泵站运行时前池的计算方案

3．2泵站运行时前池数值计算模型及设置

3．2．1计算区域及网格剖分

3．2．2边界条件及求解方法

3．2．3网格无关性分析

3．3前池流态改善目标

3．4前池原方案数值模拟结果分析

3．5前池改善措施1数值模拟结果分析

3．5．1方案A

3．5．2方案B

3．6前池改善措施2数值模拟结果分析

3．6．1方案C

3．6．2方案D

3．7前池改善措施3数值模拟结果分析

3．7．1方案E

3．7．2方案F

3．8本章小结

第4章泵站枢纽排水闸运行时前池流态改善措施

4．1排水闸运行时前池的计算方案

4．2排水闸运行时前池数值计算模型及设置

4．2．1计算区域及网格剖分

4．2．2边界条件及求解方法

4．3前池流态改善目标

4．4排水闸原方案数值模拟结果分析

4．5排水闸方案1数值模拟结果分析

4．6排水闸方案2数值模拟结果分析

4．7排水闸方案3数值模拟结果分析

4．8本章小结

第五章泵站枢纽泵站不同运行工况时前池流态检验

5．1泵站枢纽前池改进方案

5．2泵站运行工况组合

5．3各运行工况下前池流态数值模拟结果分析

5．3．1工况一

5．3．2工况二

5．3．3工况三

5．3．4工况四

5．3．5工况五

5．3．6工况六

5．3．7工况七

5．4本章小结

第六章全文总结与展望

6．1总结

6．2展望

参考文献

致谢

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