开敞式低扬程大型泵装置水力优化设计研究

摘要

开敞式低扬程大型泵装置以其结构简单、安装检修方便等优点，近年来在我国城市防洪除涝工程、供水工程及农业灌溉排涝工程中得到了广泛应用，但目前有关开敞式泵装置的水力优化设计研究还不够全面，还不能满足工程实际要求。为此，本文对开敞式低扬程大型泵装置水力优化设计进行了系统研究。
　　本文首先运用ANSYS CFX、STAR-CCM+等软件对钟形进水流道、箱涵式出水流道开展了单因素和多因素正交数值模拟研究，在进、出水流道水力优化设计基础上，然后结合江苏省大型开敞式泵站-富安泵站，将优化设计的进、出水流道与水泵模型匹配组成泵装置，通过三维湍流数值模拟和模型泵装置试验研究富安泵站整体装置性能。具体研究内容包括:
　　(1)针对钟形进水流道，设计5因素（喇叭管高度H1、喇叭管口悬空高度H2喇叭管口直径D1、吸水锥高度H3和流道宽度B）4水平的L16(45)正交试验方案。以进水流道水力损失、流道入口的速度均匀度和入流角为目标函数，采用极差分析法确定5因素的主次顺序，并得出最优组合方案。研究相同因素下，不同水平对进水流道水力损、流道入口的速度均匀度和入流角的影响规律，并比较各组合方案的流道内部流场。
　　(2)根据正交试验研究结果，针对喇叭管高度和喇叭管口悬空高度这两个主要因素，又设计24组数值试验方案，系统地研究喇叭管高度和喇叭管口悬空高度的变化对进水流道水力损失、流道入口的速度均匀度和入流角的影响规律，并对比分析各方案的流道内部流场。
　　(3)在钟形进水流道系列研究基础上，结合大型开敝式泵站-江苏富安泵站，研究流道总高度确定时，5种不同喇叭管口悬空高度对进水流道水力损失、进水流道入口均匀度和入流角的影响规律，比较分析了各方案的流场。
　　(4)以箱涵式出水流道为研究对象，以流道水力损失为目标函数，设计5个出水流道高度H4，3个喇叭管口至流道顶板高度H5，共15个数值试验方案，并对每个方案进行3种不同流量下数值试验，探讨箱涵式出水流道水力优化设计。
　　(5)在对开敞式泵装置流道水力优化研究基础上，设计了江苏富安泵站钟形进水流道和箱涵式出水流道，设计制作了模型泵装置，构建了模型试验系统，并测试了不同叶片角度下的模型泵装置能量特性。
　　(6)以江苏富安泵站模型泵装置为研究对象，运用CFD方法对模型泵装置进行了三维湍流数值模拟研究，并将数值模拟结果与模型试验值进行对比分析。
　　通过数值模拟和试验研究，得出以下结论:
　　(1)正交试验研究表明，钟形进水流道喇叭管口的直径对钟形进水流道的水力性能起着主要影响，表现为随着喇叭管口直径的增加，流速分布均匀度呈上升趋势，水力损失呈下降趋势，入流角先上升后减小。
　　(2)针对钟形进水流道喇叭管口悬空高度和喇叭管高度的多水平试验研究表明，在同一喇叭管高度下，喇叭管口悬空高度越大，流速分布均匀度越高，水力损失也越小;当喇叭管口悬空高度固定不变，喇叭管高度增大时，流道水力损失先快速减小后缓慢增加，在0.3D0附近出现拐点，有最小值;当喇叭管口悬空高度固定不变，喇叭管高度增大时，流速分布均匀度呈上升趋势，在0.4D0后增大趋势变平缓;喇叭管口悬空高度大于0.4D0后，在喇叭管口悬空高度固定时，入流角随着喇叭管高度H1的增大先增大后减小，于0.4D0附近出现拐点，有最大值。
　　(3)钟形进水流道高度固定不变，对喇叭管口悬空高度和喇叭管高度的试验研究表明，流道高度一定时，随着喇叭管口悬空高度的增加，流速分布均匀度逐渐增加并在0.5D0后增趋于平稳;流道高度一定时，随着喇叭管口悬空高度的增加，入流角先减小再增大，在(0.6～0.7)D0间出现拐点，有最小值;流道高度一定时，随着喇叭管口悬空高度的增加，流道水力损失逐渐减小，并在0.7D0后趋于平稳;喇叭管口悬空高度的变化对入流角影响不明显，但对流速分布均匀度和水力损失影响较大。
　　(4)针对箱涵式出水流道喇叭管口至顶板的高度和流道高度的多水平试验研究表明，箱涵式出水流道水力损失随流道高度的增加而增加;在0.8至1.2倍设计流量区间里，喇叭管口至顶板高度和流道高度对流道水力损失的影响规律一致;当喇叭管口至流道顶板高度一定时，适当增加流道高度可以明显降低流道水力损失;当流道高度保持不变时，流道水力损失随着H5的增大而增大;当喇叭管口至流道顶板高度为0.4D0时，流道高度的变化对水力损失的影响很小。
　　(5)经优化设计后的进、出水流道配水泵生产厂家提供的模型泵组成的富安模型泵装置系统，在试验过程中水力性能良好，运行稳定，进水流道内未发现明显的漩涡、涡带，无异常震动、噪音;在设计净扬程下，叶片角度+2°时模型泵装置的流量为338L/s，标准方法换算成原型泵参数，流量为11.5m3/s，接近设计流量11.8m3/s。
　　(6)富安模型泵装置三维湍流数值模拟研究表明，在同一个叶片角度(0°)下，扬程随流量的增大而减小的趋势与试验结果一致，数值模拟结果与试验值在设计工况区间基本吻合，但在偏离设计工况区间误差明显。

目录

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 国内研究现状

1．3 本文的研究内容

第2章 泵装置三维湍流数值模拟方法

2．1 控制方程和湍流模型

2．1．1 控制方程

2．1．2 湍流模型

2．2 边界条件

2．2．1 进、出口边界条件

2．2．2 壁面边界条件

2．2．3 对称边界条件

2．3 控制方程的离散

2．3．1 离散方法

2．3．2 离散格式

2．4 计算网格

2．4．1 网格分类

2．4．2 网格划分

2．5 流场数值计算方法

2．5．1 耦合求解技术

2．5．2 分离求解技术

2．6 计算软件介绍

2．6．1 前处理模块ANSYS ICEM CFD

2．6．2 前处理模块ANSYS Turbogrid

2．6．3 流体分析软件ANSYS CFX

2．6．4 集成CFD软件STAR-CCM+

2．7 本章小结

第3章 钟形进水流道的水力优化

3．1 进水流道优化水力设计目标

3．2 多因素正交试验设计

3．2．1 正交试验设计方法与步骤

3．2．2 正交试验方案设计

3．3 三维湍流数值试验

3．3．1 钟形进水流道几何模型

3．3．2 计算网格划分

3．3．3 边界条件设置

3．3．4 试验结果与分析

3．4 喇叭管口悬空高度和喇叭管高度的影响研究

3．4．1 试验方案的制定

3．4．2 钟形进水流道几何建模

3．4．3 计算网格划分与边界条件

3．4．4 数值试验结果

3．4．5 外特性直观分析

3．4．6 吸水室内流场分析

3．5 流道高度固定时优化设计

3．5．1 数值计算方案

3．5．2 钟形进水流道几何建模与网格剖分

3．5．3 外特性试验结果与分析

3．5．4 内流场分析

3．6 本章小结

第4章 箱涵式出水流道水力优化设计

4．1 出水流道优化水力设计目标

4．2 方案的制定

4．3 箱涵式出水流道几何建模

4．4 计算网格划分

4．5 边界条件设置

4．6 试验结果分析

4．6．1 外特性趋势分析

4．6．2 内流场分析

4．7 本章小结

第5章 富安泵站整体装置三维湍流数值模拟

5．1 富安泵站工程概况

5．2 富安泵站进、出水流道的水力优化设计

5．3 泵装置三维造型和网格剖分

5．4 控制方程与边界条件

5．5 模型泵装置数值计算结果与分析

5．5．1 泵装置外特性分析

5．5．2 泵装置内流场分析

5．6 本章小结

第6章 富安泵站开敞式泵装置模型试验

6．1 模型试验设计及模型泵装置

6．1．1 相似准则和模型比尺

6．1．2 模型泵装置设计

6．2 模型试验系统及测试方法

6．3 测试设备及测试方法

6．3．1 流量

6．3．2 泵装置扬程和进水池水位

6．3．3 轴功率(P)、转速(n)

6．4 泵装置动力特性试验结果与分析

6．5 泵装置模型试验及CFD试验对比分析

6．6 本章小结

第7章 全文总结与展望

7．1 全文总结

7．2 今后工作展望

参考文献

致谢

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