泵站进、出水流道优化水力设计方法研究

摘要

大、中型低扬程泵站在我国分布广泛，应用范围广，发挥作用大。其中进、出水流道是大、中型低扬程泵装置的重要组成部分，对泵装置性能影响显著。因此，对进、出水流道的优化水力设计必须引起高度重视。目前，关于泵站进、出水流道水力性能的研究手段多样，研究成果也较丰富。但过去的一维流道设计方法由于自身理论的矛盾性，早已不再适应现代的设计要求。而现阶段基于CFD数值计算的流道三维水力设计方法虽然已经在使用，但就如何开展泵站进、出水流道优化水力设计仍缺乏相关的理论方法指导。
　　 为了完善进、出水流道优化水力设计理论，进一步提高低扬程泵装置的水力性能，使这种方法更多、更好地指导工程实践。本文对流道优化水力设计方法进行了深入的研究和系统的归纳。具体内容包括以下几个方面:
　　 (1)提出了进、出水流道分析研究方法的概念，指出了对进、出水流道进行分析研究的必要性。在对相关研究资料进行分析的基础上，分析了对流道进行分析研究的边界条件及可行性;
　　 (2)阐释了进、出水流道优化水力设计的目标函数，分析了目标函数的特点;
　　 (3)明确了进、出水流道优化水力设计的思路，提出了将流道水力设计分为6个层次逐步进行优化的精细优化方法，并引入了最优化方法来指导确定优化路径;
　　 (4)在对已有流道优化水力设计研究资料进行整理的基础上，以MicrosoftAccess为数据库平台，VisualBasic为编程语言，开发了大型泵装置进、出水流道水力设计数据库管理系统;
　　 (5)对肘形进水流道和虹吸式出水流道三维几何形体的特点进行了分析，并建立了肘形进水流道和虹吸式出水流道的参数化模型;
　　 (6)运用以三维湍流流动理论为基础的数值模拟理论与方法，阐释了进、出水流道及泵装置的计算区域和边界条件;
　　 (7)介绍了进水流道和出水流道模型试验方法和试验装置，解决了流道的流态观测和水力损失测量问题;
　　 (8)采用本文所提方法对某大型泵站进、出水流道进行了优化水力设计研究。确定了进、出水流道的最优方案，分别对进水流道和出水流道进行了流道模型试验，对优化后的泵装置进行了整体模型试验研究，并对结果进行了对比分析。
　　 本文利用现代化的计算机技术和CFD数值计算理论，完善、优化了进、出流道的优化水力设计方法，明确了流道三维优化水力设计的思路，解决了优化过程中所需处理的关键问题。从理论上分析了该方法的合理性，从工程应用方面验证了论文所提方法的有效性、正确性。本文所述的泵站进、出水流道优化水力设计方法可用于指导大、中型泵站进、出水流道优化水力设计。

目录

摘要

符号说明

1． 绪论

1．1 问题的提出

1．1．1 大、中型泵站工程建设的需要

1．1．2 大、中型泵站泵装置进、出水流道的重要性

1．2 进、出水流道水力设计的研究现状

1．2．1 水泵试验及泵段模型试验研究现状

1．2．2 泵装置模型试验及数值模拟研究现状

1．2．3 进、出水流道数值模拟及模型试验研究现状

1．3 流道优化水力设计方法存在的问题和本文的研究内容

2． 进、出水流道优化水力设计研究的思路与方法

2．1 进、出水流道水力设计分析研究方法的提出

2．1．1 进、出水流道水力设计分析研究的必要性

2．1．2 进、出水流道水力设计的“可分原理”分析

2．2 进、出水流道优化水力设计的思路

2．2．1 进、出水流道的正问题和反问题

2．2．2 进、出水流道优化问题及求解思路

2．3 进、出水流道的精细优化水力设计方法

2．3．1 初步方案拟定(0层次)

2．3．2 流道控制参数优化(1层次)

2．3．3 流道设计次要参数优化(2层次)

2．3．4 流道形线优化(3层次)

2．3．5 流道模型试验检验(4层次)

2．3．6 泵装置模型试验检验(5层次)

3． 进、出水流道优化水力设计的目标

3．1 进水流道优化水力设计的目标

3．1．1 对水泵叶轮室进口流场的基本要求

3．1．2 进水流道的水力设计要求

3．1．3 进水流道优化水力设计的目标函数

3．2 出水流道优化水力设计的目标

3．2．1 出水流道的水力设计要求

3．2．2 出水流道优化水力设计的目标函数

4． 进、出水流道优化水力设计数据库

4．1 数据库管理的资料

4．2 数据库管理系统的功能结构

4．3 数据库管理系统的开发

4．3．1 数据库的选择及建立

4．3．2 编程语言的选择和数据库访问方法

4．3．3 结构化查询语言SQL设计

4．3．4 基于Visual Basic和Microsoft Word的报表设计

4．3．5 DWG图形文件的访问及输出

4．4 数据库管理系统的功能界面

4．4．1 系统主窗体

4．4．2 用户登录与系统管理员登录管理

4．4．3 数据库文件管理

4．4．4 泵装置信息管理

4．4．5 信息查询、浏览及输出

5． 进、出水流道三维形体的参数化模型

5．1 进、出水流道三维形体参数化设计概述

5．2 进、出水流道三维形体的参数化模型要求

5．3 肘形进水流道的参数化模型

5．4 虹吸式出水流道的参数化模型

6． 进、出水流道及泵装置三维湍流流动数学模型及求解方法

6．1 流体动力学基本方程

6．1．1 连续方程

6．1．2 动量方程

6．1．3 能量方程

6．2 湍流的控制方程

6．3 湍流模型

6．3．1 标准k-ε模型

6．3．2 RNGk-ε模型

6．4 边界条件及初始条件

6．4．1 流动进口边界条件

6．4．2 流动出口边界条件

6．4．3 壁面边界条件

6．4．4 对称边界条件

6．4．5 周期性边界条件

6．4．6 内部表面边界条件

6．4．7 初始条件

6．5 控制方程的离散方法

6．6 区域离散

6．7 FLUENT软件简介及计算结果后处理

7． 进、出水流道和泵装置三维流场数值计算

7．1 进水流道三维流场数值计算

7．1．1 进水流道三维流动数值计算的计算区域和网格剖分

7．1．2 进水流道三维流场数值计算的边界条件

7．2 出水流道三维流场数值计算

7．2．1 出水流道三维流动数值计算的计算区域和网格剖分

7．2．2 出水流道三维流动数值计算的边界条件

7．3 泵装置三维流场数值计算

7．3．1 泵装置三维流场数值计算的计算区域及网格剖分

7．3．2 泵装置三维流场数值计算的边界条件

8． 进、出水流道和泵装置试验研究方法

8．1 进水流道模型试验方法

8．1．1 进水流道模型试验装置

8．1．2 试验准则

8．1．3 测量设备及方法

8．1．4 水力损失测试

8．1．5 试验不确定度分析

8．2 出水流道模型试验方法

8．2．1 出水流道模型试验装置

8．2．2 测量设备及方法

8．2．3 出水流道水力损失计算

8．2．4 试验不确定度分析

8．3 泵装置模型试验方法

9． 进、出水流道优化水力设计方法应用实例

9．1 泵站基本资料及设计要求

9．2 流道精细优化水力设计过程及结果分析

9．2．1 泵站进、出水流道1、2、3层次优化

9．2．2 某泵站进、出水流道模型试验检验(4层次)

9．2．3 某泵站泵装置模型试验检验(5层次)

10． 全文总结与展望

10．1 全文总结

10．2 本文的创新点

10．3 今后工作展望

参考文献：

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

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