封闭式进水池几何参数水力优化CFD研究

摘要

封闭式进水池作为中小型泵站的一种进水形式，具有高度低、基础开挖深度小、结构简单、断面形状变化单一和易于施工等特点，在工程中得到越来越多的重视和应用。但是由于封闭式进水池内流态复杂，设计在某些方面还不完善，结构尺寸未得到较好的优化。本文以某泵站更新改造为背景，运用CFD技术，基于N-S方程和RNGk-ε紊流模型，研究封闭式进水池几何参数水力优化，提出可供工程应用的设计准则。
　　(1)对封闭式进水池泵装置与开敞式进水池泵装置的计算结果进行了分析比较，主要分析了水力特性、流态、池内断面压力与速度分布以及喇叭管内的断面压力分布，计算结果表明增设盖板可以在一定程度上提升泵装置水力性能，并改变了进水池内水流流动规律。
　　(2)通过控制其他几何参数不变，只改变一个几何参数的单因素分析法，研究了封闭式进水池中几何参数对流态以及水力性能的影响。得到了单因素变化下，各几何参数变化对水力性能影响的变化规律。泵装置效率在压板高度为0.5DL-0.9DL时变化较小，在1.1DL时出现明显下降，0.9DE时效率最高。泵装置效率随宽度的增加，逐渐上升。泵装置效率随后壁距的增大而降低，当后壁距达到0.6DL以后，效率变化较小。泵装置效率随着悬空高的增加逐渐增加，0.25DL至0.5DL时变化较快，0.5DE以后变化较慢。
　　(3)进水池内流动较为复杂，单因素法无法全面研究几何参数对封闭式进水池水力性能的影响，基于正交试验法，研究进水池压板高度、宽度后壁距以及悬空高四个几何参数对泵装置水力性能的影响，水力评判指标有泵装置效率、进水池出口流速均匀度以及出口速度加权平均角。目的是得到正交试验条件下，各几何参数对水力性能影响的变化曲线以及获得较优的几何参数组合。同时比较了单因素法与正交试验法的计算结果，二者在一定程度上体现出较好的规律性，因此，试验方法和计算方法是可靠的，并通过分析这些结果，得到封闭式进水池几何参数设置准则，分别为压板高度控制在0.8DL-1.0DL;后壁距控制在0.3DL-0.6DL;悬空高控制在0.5DL-0.75DL;宽度控制在2.7DL-3.2DL。并得到了一些效率较优的参数组合。
　　(4)选取原方案与正交试验方案中效率较高的优选方案进行三维非定常数值模拟，分析压力脉动的峰峰值，其中原方案P1的峰峰值为0.052m，试验优选方案P1的峰峰值为0.050m;原方案P2的峰峰值为0.038m，试验优选方案P2的峰峰值为0.034m;原方案P3的峰峰值为0.039m，试验优选方案P3的峰峰值为0.033m。试验优选方案各监测点的压力峰峰值小于初方案的监测点峰峰值，达到了优化效果。各监测点的峰峰值分别占装置扬程的3.723％、2.532％、2.457％，均小于扬程的4％，可见进水池流动较为稳定。

目录

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 研究目的及意义

1．2 研究现状与进展

1．2．1 数值模拟

1．2．2 模型实验

1．2．3 流场测量

1．3 本文研究内容

第二章 进水池三维流动计算方法

2．1 数值计算的控制方程

2．2 控制方程空间离散方法

2．2．1 离散的数值方法

2．2．2 空间离散的格式

2．2．3 控制方程组的求解

2．3 湍流方程

2．4 流体计算软件简介

2．4．1 网格划分软件

2．4．2 流体动力学分析软件

2．5 计算网格的生成

2．6 边界条件设置

2．6．1 进出口边界条件

2．6．2 壁面条件

2．6．3 域交界面设置

2．7 本章小结

第三章 封闭式进水池三维定常流动

3．1 三维建模及网格剖分

3．1．1 三维建模

3．1．2 网格划分

3．1．3 网格无关性验证

3．2 边界条件及计算参数设置

3．3 计算收敛性分析

3．4 进水池内流态分析与比较

3．4．1 流态

3．4．3 压力与速度分布

3．4．4 喇叭管内流态

3．5 水力特性预测及比较

3．6 本章小结

第四章 基于单因素分析的几何参数水力优化

4．1 研究方案

4．2 压板高度

4．2．1 参数设置

4．2．2 速度与压力分布

4．2．3 水力性能

4．3 宽度

4．3．1 参数设置

4．3．2 压力分布

4．3．3 水力性能

4．4 后壁距

4．4．1 方案几何参数设置

4．4．2 压力分布

4．4．3 水力性能

4．5 悬空高

4．5．1 参数设置

4．5．2 压力分布

4．5．3 水力性能

4．6 本章小结

第五章 基于正交试验的几何参数水力优化

5．1 正交试验概述

5．2 正交试验设计

5．3 试验结果

5．4 理论优方案验证

5．5 本章小结

第六章 封闭式进水池三维非定常CFD

6．1 三维非定常CFD设置

6．2 压力脉动监测点的设定

6．3 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间取得的相关科研成果

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