卧式前轴伸泵装置的数值模拟及模型试验研究

摘要

南水北调泵站工程东线的主要特点是扬程低、流量大、年运行时间长(5000 h)。对于低扬程泵站，科学合理地选择水泵装置的型式，是南水北调泵站工程设计的关键问题，它不仅关系到泵站建设的投资和日常调水的成本，而且关系到泵站运行的可靠性。因此，对南水北调东线工程拟采用的水泵装置型式进行深入的研究是一项十分重要的工作。 灯泡贯流泵装置的流道平直贯通，从理论上讲，这种型式的水泵装置具有水流条件好、水力损失小的优点，在泵站扬程较低的条件下可望得到较高的泵装置效率。南水北调东线工程中有7座扬程特别低的泵站选用了灯泡贯流泵装置。另一方面，大型灯泡贯流泵装置结构复杂、造价高，国内外的应用都很少，在设计制造及运行管理等方面还相当缺乏经验。 卧式前轴伸泵装置可以克服灯泡贯流泵装置在结构方面的缺点，但长期以来被认为水泵装置效率略低而未得到应有的重视。实际上，过去对卧式前轴伸泵装置水力性能的研究很少，尤其是对这种形式泵装置进、出水流道优化水力设计及水力性能定量评价等方面的研究还很不够。 为了更为全面的认识和比较适用于低扬程泵站的各种水泵装置型式，很有必要跳出灯泡贯流泵装置的局限，对其它形式低扬程水泵装置的水力性能及水力优化作一些补充研究，为低扬程泵站水泵装置的选型设计打开思路，本文选择卧式前轴伸泵装置展开了较为深入的研究。 本文从以下几方面对卧式前轴伸泵装置进行了研究： (1)运用Fluent流体流动计算软件，分别对卧式进水流道和卧式出水流道内部流动进行了三维湍流数值模拟，计算了进、出水流道的内部流场及流道水力损失； (2)运用F1uent流体流动计算软件，对卧式轴伸泵装置内部流动进行了三维湍流数值模拟，计算了水泵装置效率及进、出水流道的水力损失； (3)根据卧式前轴伸泵装置的实际情况，讨论了三维湍流数值计算的各种关键技术问题，包括网格模型的建立、边界条件的处理、湍流模型的选择，等等； (4)对经过优化的卧式进水流道和卧式出水流道进行透明流道模型试验，观察流道内的流态、测试流道的水力损失，验证数值计算的结果，结果表明：数值模拟的结果与模型试验结果吻合一致。 某低扬程泵站(H泵站)已成完成对前、后置灯泡贯流泵装置水力性能的研究，本文将经过优化所得到的卧式前轴伸泵装置的水力性能与它们进行了比较，得到如下结论： 卧式前轴伸泵装置的能量性能略逊于前置灯泡贯流泵装置而略优于后置灯泡贯流泵装置。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

1绪论

1.1南水北调东线泵站工程的特点及灯泡贯流泵的选用

1.2轴伸泵装置研究的目的和意义

1.3 卧式轴伸泵装置的研究及应用现状

1.3.1 卧式轴伸泵装置的研究

1.3.2 卧式轴伸泵装置的应用现状

1.4某低扬程泵站简介

1.4.1 H泵站的控制尺寸

1.4.2 H泵站灯泡贯流泵装置方案的研究

1.5本文主要研究内容

1.5.1泵装置及进、出水流道内部流场的数值计算

1.5.2对进、出水流道数值模拟的试验验证

1.5.3 卧式前轴伸泵装置的能量性能分析

2贯流式泵机组的分类及特点

2.1贯流式泵机组的类型

2.2卧式轴伸贯流泵机组的特点

3水力机械三维湍流数值模拟理论

3.1水力机械内部稳定流场计算方法概述

3.2三维湍流数值模拟的基本理论

3.2.1数值计算的控制方程

3.2.2水力机械内部流动数值模拟方法

3.3离散化综述

3.3.1有关网格方面的研究

3.3.2离散方法

3.4 CFD软件在工程中的应用

3.4.1 FLEUNT简介及其应用

3.4.2 FLUENT自定义函数UDF的简介

3.4.3本文中的FLUENT二次开发

4卧式前轴伸泵装置的进、出水流道数值模拟

4.1进、出水流道水力设计的要求

4.1.1进水流道水力设计的要求

4.1.2出水流道水力优化的目标

4.2进、出水流道的几何形线

4.2.1 H泵站流道的控制尺寸

4.2.2进水流道的几何形线

4.2.3出水流道的几何形线

4.3进、出水流道的数值计算区域的确定

4.3.1常规计算区域的确定

4.3.2 UDF中的计算区域的选择

4.4进、出水流道网格模型的选择与网格划分

4.5边界条件的处理

4.5.1常规计算的边界处理

4.5.2 UDF计算的边界处理

4.6求解方法和离散格式的选择

4.7收敛精度的选择

4.8进、出水流道的数值计算结果

4.8.1常规计算的模拟结果

4.8.2 UDF模拟结果

4.8.3两种计算方法的比较

5流道数值模拟结果的试验验证

5.1试验目的和试验内容

5.2模型试验装置

5.2.1进水流道模型试验装置

5.2.2出水流道模型试验装置

5.3试验准则

5.4测试设备及方法

5.4.1流量测试

5.4.2静压测试

5.5水力损失计算

5.5.1进水流道水力损失计算

5.5.2出水流道水力损失计算

5.6流道水力损失测试误差分析

5.6.1进水流道水力损失测试误差分析

5.6.2出水流道水力损失测试误差分析

5.7试验结果

5.7.1进、出水流道内的流态

5.7.2进、出水流道的水力损失

6卧式前轴伸泵装置的数值模拟

6.1 卧式前轴伸泵装置的计算区域

6.2 卧式前轴伸泵装置网格模型的选择与网格划分

6.3 卧式前轴伸泵装置边界条件的处理

6.4卧式前轴伸泵装置的数值模拟结果与分析

6.4.1流态分析

6.4.2卧式前轴伸泵装置效率计算

6.4.3不同流量时泵装置的能量性能

7卧式前轴伸泵装置的能量性能分析

7.1三种泵装置的数值模拟计算结果

7.2三种泵装置水力性能的比较

7.2.1关于计算方案

7.2.2关于数值计算结果

7.2.3关于流道模型试验结果

7.2.4关于三种泵装置的效率

7.2.5结果比较

7.2.6结果分析

8全文总结与展望

8.1全文总结

8.2今后的工作展望

参考文献

附图

致谢

攻读学位期间发表的学术论文