中小型灌排泵站进水水力特性改善研究

摘要

中小型灌排泵站直接为农业灌溉和排涝服务，已经成为我国经济社会发展的重要公共基础设施，为改善农业生产条件、保障粮食安全和促进农村经济发展、农民增收、农村饮水安全等发挥了巨大作用。灌排泵站的进水建筑物包括前池和开敞式进水池。前池的作用是为了保证水流从引渠流向进水池的过程中能够平顺的扩散，为进水池提供良好的流态。开敞式进水池是供水泵吸水管直接吸水的构筑物，具有自由水面，通常用于中小型泵站。进水池的主要作用是进一步调整从前池进入的水流，为水泵进口提供良好的进水条件。前池和进水池内的水流流态影响着泵站安全、稳定、高效运行。本文采用CFD计算、模型试验和现场测试对中小型泵站进水前池、开敞式进水池几何参数流动特性、构筑物的影响、防涡消涡措施和封闭式改造水力优化进行了深入研究，成果有较高的应用价值。
　　(1)立柱前池整流机理研究采用标准k-ε模型、RNG k-ε模型、Realizable k-ε模型和SST模型4种湍流模型，对灌排泵站进水前池流动特性进行模拟，将预测结果与试验进行对比，结果表明采用标准k-ε模型模拟结果较为准确。对灌排泵站进水前池进行网格无关性分析，分析结果表明前池网格数量达到32万时，再增加网格数量对计算结果影响很小。综合考虑计算资源与时间，本文在计算前池计算中采用网格数量级略大于32万。水流流经双排立柱的尾迹较单排立柱的更强烈，对前池内回流区的削弱效果更好。在存在大尺度回流区的前池中，推荐使用双排立柱整流措施。立柱在前池中的位置对整流效果有明显的影响。若立柱设置位置过于靠近进水池，不仅没有起到削弱回流，改善进水流态的作用，反而会因为立柱后的卡门涡影响进水流态。推荐立柱设置在距进水池入口0.45B的位置。立柱的断面尺寸对前池内整流效果有明显的影响，推荐立柱的尺寸为0.0375B。立柱的高度和形状对进水池前的流速分布影响较小，推荐使用方形立柱和立柱高度为0.8H。研究表明:前池增设立柱可使水流重新调整，水流过柱后在旋滚作用下重新分布趋于均匀、平顺，减小回流区的范围，改善进水池前的流速分布，为进水池提高较好的进水流态。
　　(2)开敞式进水池流动特性与几何参数研究数值模拟了泵站开敞式进水池的流场分布，获得了进水池内三维基本流态。计算表明，在不同工况下，进水池内流态分布相似，水力损失与流量的二次方关系。运用数值计算方法，采用了单因素比较的方法系统了进水池各参数对水力性能及流态的影响。
　　研究表明:1）当开敞式进水池进水的主要结构尺寸取值在一定范围，可保证其良好进水流态，水泵进口流速分布较为均匀和保证水泵性能发挥。进水池池宽宜取3～4D，池宽过小，除增大水头损失外，还会增大水流流向喇叭口水平收敛时的流线曲率，从而容易形成漩涡;进水池宽度过大，导向作用差，容易产生偏流和回流，从而容易发生漩涡。2）在喇叭管淹没深度较小的情况下，进水池面层流速加大，涡流旋转速度加快，水力损失较大;淹没深度过大，增加进水池的挖深、增加土建。3）喇叭管距水泵叶轮室较近，其形状对水泵性能的影响较大，喇叭口的形状直接影响水流进入吸水管的压力分布、水流流速均匀度等。研究表明，喇叭管形状为1/4圆，DL=1.5D左右，水力损失小，流态较好。
　　(3)开敞式进水池构筑物对迸水池水力性能影响 CFD计算表明，开敞式进水池内增设水泵梁、检修平台、胸墙等构筑物后对泵装置效率影响较小。但添加构筑物后，将会对池内流态产生影响。在开敞式进水池内设置水泵梁，对进水池流态影响较小;而将水泵梁加宽形成检修平台后，且进水管后侧也设置了检修平台，将导致池内流态变差，喇叭口和后壁处流态较为紊乱;在进水池中设置胸墙后，受胸墙竖向挤压影响，改变了池内面层水体流动方式，喇叭口呈单向进水状态。CFD计算表明流量对进水内纵剖面压力分布影响较小，添加胸墙后，构筑物对吸水管断面轴向流速影响较大。
　　(4)开敞式进水池防涡消涡措施流动特性研究采用CFD模拟了各种进水池消涡防涡措施对进水池流态的影响。分别对加设池底隔墙、水下隔柱、后墙隔板等9种措施进行CFD分析。
　　研究表明:1）无整流措施时，进水池吸水管靠后壁流速较低，流动复杂，易形成两个对称的回流区，易发展成水面涡。侧边壁下方靠近底部易形成漩涡区，后边壁中心靠近底部存在低速回流区，易形成附壁涡。2）加设水平盖板的作用在于减小后壁距，有效防止水面管口后方水面涡进入喇叭口，减小附底涡产生机率。3）在喇叭口处加设π形盖板，进水池内流态改善不明显，在侧壁和π形盖板垂直放置的板两侧有明显的回流区产生。4）水上盖板能改善水泵吸入条件，但是在管口后方盖板下方又易形成螺旋流动，不利于后壁处水流调整。5）池底隔墙有效阻断了喇叭口下方池底处流速奇点区的形成，但是在池侧壁处、后墙处易形成回流区，后壁壁面处存在明显流线聚集和奇点区，对进水池内流态没有改善。6）进水池吸水管后加设管后隔板，相当于减少后壁距。后壁距减少，会加强水流单向进水，进水池角落漩涡加剧，消涡效果不理想。7）长方形隔板的下方存在一个漩涡，且在侧壁和后壁均有漩涡存在。8）加设水下圆形隔柱不会产生新的漩涡区，但对进水池内流动改善效果不佳。9）加设垂直隔板会造成喇叭管单侧进水，吸水管后流动紊乱。10)加设倾斜隔板，使得喇叭管单侧进水，吸水管后壁处水流流速降低，可抑制后壁涡的产生，但是倾斜隔板处易产生回流。
　　(5)开敞式进水池封闭式改造水力优化研究以某泵站开敞式进水池封闭式改造水力优化为研究背景，采用数值模拟、模型试验和现场测试方法相结合，提出了进水池封闭式改造水力设计准则。
　　基于CFD技术数值模拟了包括封闭式进水池、喇叭口、叶轮、导叶、弯管、出水池在内的某泵站，分析比较了原方案不同工况下的水力性能。在此基础上，对进水池封闭后的宽度、后壁距、悬空高、后壁形状进行了水力优化，获得了封闭式进水池水力设计准则。
　　由计算水力性能可知，随着池宽的增加，泵站效率也随之增加，进水池宽度过小，会使池中流速加快，水头损失增加，增大了水流向喇叭口水平方向收敛时的流线曲率，易诱发漩涡。但进水池宽度过大，易在池中形成偏流、回流而产生漩涡。由于原方案效率最高，再结合考虑水泵安装尺寸及检修通道的要求，推荐池宽Bj/DL为(0.25～3)。
　　效率随后壁距增大而增大，当T/D达到0.5时，效率最高。过小的后壁距必将导致不均匀的流态和较大的喇叭管进水损失。过大的后壁距不仅是不必要的，而且还增大了水流在后壁空间的自由度，从而加大了吸气漩涡的可能。推荐后壁距为(0.4～0.7)。
　　进水池的水流是从四周进入喇叭管的，合适的悬空高对于形成四周来流流动并使水流基本均匀地进入喇叭管至关重要。悬空高过大，增加挖方和投资，而且有可能使喇叭管单面进水，导致水泵进口流速压力分布不均，降低水泵的能量性能和气蚀性能。悬空高过小则压缩了喇叭管下方的圆柱面，导致流线过于弯曲，水力损失急剧增加，也会使水泵进口流速，压力分布不均，增加漩涡发生的可能。推荐悬空高C/DL为(0.5～0.7)。
　　在优化后的几何参数研究了圆形后壁、ω形后壁对进水池水力特性影响。计算表明，ω形后壁与原方案矩形后壁进水池相比，池内流线更加平顺。圆形后壁进水池水力性能与矩形进水池相当，但流态得到一定改善。
　　CFD预测泵装置性能曲线与模型试验结果较为吻合，CFD计算结果是可信的。
　　现场测试结果表明，泵站机组噪声、振动均符合国家规范要求，在设计扬程时，泵站实测流量超过设计流量。CFD计算及模型试验成果成功应用于泵站工程实践中，具有较好的推广应用价值。

目录

摘要

主要符号说明

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究进展

1．2．1 前池

1．2．2 进水池

1．2．3 进水流道

1．2．4 防涡消涡

1．3 本文主要研究内容

1．4 技术路线

第二章 灌排泵站进水流动数值计算方法及验证

2．1 控制方程及湍流模型

2．1．1 控制方程

2．1．2 控制方程空间离散方法

2．1．3 湍流数值模拟方法及湍流模型

2．2 数值计算方法及试验验证

2．2．1 三维计算域

2．2．2 边界条件

2．2．3 湍流模型选取

2．2．4 网格无关性检验

2．3 本章小结

第三章 灌排泵站前池立柱改善流态机理

3．1 数值计算方法及研究方案

3．2 原方案(不加整流措施)流态模拟结果

3．3 立柱位置对前池流态影响

3．3．1 单排立柱位置对水流流态影响

3．3．2 双排立柱位置对水流流态影响

3．4 立柱高度对前池流态影响

3．5 立柱尺寸对前池流态影响

3．6 立柱形状对前池流态影响

3．7 前池立柱整流机理

3．8 本章小结

第四章 灌排泵站开敞式进水池几何参数水力性能

4．1 数值计算方法

4．1．1 计算参数及区域

4．1．2 进水池基本流态分析

4．2 不同流量下进水池流态及水力性能

4．2．1 研究方案

4．2．2 水力损失计算结果与分析

4．3 几何参数对水力性能影响

4．3．1 池宽对水力性能影响

4．3．2 淹没深度对水力性能影响

4．4 喇叭口形状对水力性能影响

4．4．1 研究方案

4．4．2 计算结果与分析

4．5 本章小结

第五章 开敞式进水池构筑物水力性能

5．1 数值计算方法

5．1．1 计算网格

5．1．2 湍流模型及边界条件

5．2 三维模型及研究方案

5．3 计算结果及分析

5．3．1 外特性

5．3．2 构筑物对进水池水力性能影响

5．3．3 原方案进水池流态

5．3．4 构筑物各方案进水池流动特性

5．3．5 原方案吸水管断面轴向速度

5．3．6 构筑物方案吸水管断面轴向速度

5．4 本章小结

第六章 开敞式进水池消涡措施流动机理

6．1 数值计算方法

6．2 开敞式进水池的漩涡易发生区域

6．3 研究方案

6．4 开敞式进水池消涡措施

6．3．1 水下平盖板

6．3．2 水下π形盖板

6．3．3 水上盖板

6．3．4 池底矩形隔墙

6．3．5 后墙隔板

6．3．6 管后隔板

6．3．7 水下长方形隔板

6．3．8 水下圆形隔柱

6．3．9 垂直隔板

6．3．10 倾斜隔板

6．4 本章小结

第七章 开敞式进水池封闭式改造水力优化

7．1 计算参数及边界条件

7．2 网格剖分

7．3 进水池几何参数及研究方案

7．3．1 几何参数

7．3．2 研究方案

7．4 水力优化结果

7．4．1 原方案水力性能及流态

7．4．2 池宽水力优化

7．4．5 后壁距水力优化

7．4．6 悬空高水力优化

7．4．7 后壁形状优化

7．5 模型试验

7．5．1 试验装置设计

7．5．2 测试仪器和方法

7．5．3 测量仪器及设备

7．5．4 数据测试方法

7．5．5 测量不确定度分析

7．5．6 实验结果分析

7．5．7 数模与实验对比

7．5．8 小结

7．6 现场测试

7．6．1 某泵站工程概况及测试参数

7．6．2 流量测试

7．6．3 噪声测试

7．6．4 振动测试

7．6．5 扬程测试

7．6．6 水泵装置效率

7．6．7 现场测试结果

7．6．8 小结

7．7 本章小结

第八章 结论与展望

8．1 结论

8．2 创新点

8．3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的相关科研成果

声明