前置竖井式贯流泵装置三维湍流流动数值模拟及优化设计研究

摘要

全球资源日趋紧张的今天,我国正实施战略性水资源的优化配置,跨流域调水的南水北调东线、中线工程已开工建设。随着我国国民经济总量快速增长,综合国力不断增强,城市化进程加速,区域性经济发展和城市防洪体系标准提高,沿江河湖海城市防洪除涝工程、城市供水保障工程以及现代农业灌溉排涝、水环境治理和生态需水工程等已建设或规划建设一大批低扬程大中型泵站。因此,开展低扬程大型泵装置水力优化设计研究,对确保泵站安全运行可靠性、节省工程投资,降低能源消耗等,具有重要的理论价值和现实意义。
　　 低扬程泵装置有多种型式,竖井式贯流泵装置是一种较新的低扬程泵装置型式。虽然近年来竖井贯流泵装置研究取得一些初步成果,但水力优化设计还缺乏经验,研究方法较单一,多为传统的特定装置试验,缺乏多方案的比较优化。近年来虽然已开始数值模拟优化方面的研究,但试验和数值模拟研究缺乏系统性,数值模拟结果缺乏必要的内特性实验验证。因此,竖井贯流泵装置在参数合理选择、型线水力优化设计、进出水流道与泵的合理匹配等方面需要进行深入研究。
　　 本文采用数值模拟方法分别对前置竖井式贯流泵装置的进水流道、出水流道及整个泵装置进行了三维湍流流动数值模拟和优化水力设计,对提高前置竖井式贯流泵装置的水力性能进行了较为深入的研究。具体内容包括以下几个方面:
　　 (1)根据平面势流理论,结合国内部分竖井式贯流泵站流道内竖井形状,分别对各泵站相应的竖井式进水流道进行势流分析,完成了前置竖井式贯流泵装置进水流道外轮廓的对比分析研究,为进水流道的优化设计提供理论依据。
　　 (2)根据进水流道的优化水力计算目标,初步拟定了2组共11个竖井式进水流道方案,并运用CFD计算软件FLUENT分别对各方案进行三维湍流流动数值模拟,计算流道内部的流场和流道水力损失。在此基础上,优化设计出2个进水流道方案,并分别进行细致深入的对比分析研究。
　　 (3)根据出水流道的优化水力计算目标,优化设计1个出水流道方案,并对其进行三维湍流流动数值模拟。选择高比转速模型泵,结合进水流道优化方案,组成2个前置竖井式贯流泵装置模型,对各流量工况进行三维湍流流动数值模拟及对比分析研究。
　　 (4)在数值模拟的基础上,结合国内现有泵站设计经验,总结和归纳出前置竖井式贯流泵装置进、出水流道系统化设计步骤和数学表达。
　　 本文通过对前置竖井式贯流泵装置的研究,得到以下结论:
　　 (1)经势流分析所得的均匀来流绕竖井的流线形状为:“前直、中凸、后直”,贴近流线的竖井式进水流道外轮廓对水流的阻碍作用最小,故而合理的竖井进水流道外轮廓应设计成流线状,其外形为:“两头窄、中间宽”。
　　 (2)竖井头部型线宜采用对称外凸圆(或椭圆)弧,减小圆弧曲率,可以缩小低速区范围。但是由于竖井头部距流道进口较近,流速较低,故而竖井头部型线也可采用水电站竖井流道常使用的半圆或半椭圆。
　　 (3)竖井尾部型线对竖井式进水流道外轮廓设计有较大影响,他决定了此处流线收缩程度。竖井尾部形状为内凹或外凸时,流线收缩较快,竖井尾部形状为椭圆时,流线收缩缓慢。故而竖井尾部型线宜采用对称内凹或外凸圆(或椭圆)弧,减小圆弧曲率,可以缩小低速区范围。此处流速较大,故不宜采用整体式圆弧或椭圆弧,以免增加流道损失,影响水泵入口流态。
　　 (4)根据出水流道设计要求所设计的出水流道水力损失小,流道内流速变化均匀,无脱流、局部漩涡等不良流态,说明本文中出水流道设计中所使用的方法合理可行。
　　 (5)通过势流分析和数值模拟优化设计的两种前置竖井式贯流泵装置整体性能均较高,其装置效率高,且高效区范围宽,内部流态良好。说明竖井式贯流泵装置可在较低扬程下得到良好的水力性能,可供低扬程泵站选择采用。