（水利水電工程專業(yè)論文）后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究.pdf

于麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 摘要 燈泡貫流泵裝置具有進、出水水流平順流暢、水力損失小，過流能力大，裝 置效率高等特點，特別適用于南水北調東線泵站工程，具有較大的應用價值和發(fā) 展?jié)摿Α５?，目前大型燈泡貫流泵機組在國內外的應用還很少，僅有一些裝置 性能方面的認識，專門針對燈泡式貫流泵站進出水流道的研究幾乎沒有。而流道 作為大中型泵站的重要組成部分，直接影響著泵站的裝置性能和安全可靠運行。 因此，對燈泡貫流泵裝置進出水流道的流態(tài)優(yōu)化進行分析研究，對減少流道內水 力損失，提高裝置效率有著重要的指導價值。 隨著c f d 理論技術和計算機軟硬件技術的發(fā)展，數值模擬方法在水泵裝置研 究方面得到了越來越廣泛的應用。本文在這種背景下，采用三維湍流數值模擬的 方法研究燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)的優(yōu)化。 本文以某后置燈泡貫流泵站為例，使用g a m b i t 軟件完成了模型泵裝置的三 維實體造型和非結構化網格的剖分，采用局部加密技術對實體進行了較高精度和 較高質量的網格剖分。基于f l u e n t 軟件在兩種不同七一占湍流模型基礎上對后置 燈泡貫流泵裝置內部三維湍流流場進行了數值模擬。數值模擬結果和模型試驗結 果比較后，得出了較適合本例的r n g 足一s 湍流模型，從而說明本文所采用的數學 模型是合適的。 通過數值模擬計算，獲得了燈泡貫流泵裝置及進出水流道的流場：進水流道 內水流順直；出水流道內有較大范圍的脫流和漩渦，主要受導葉出口環(huán)量和燈泡 體的影響，其中導葉出口環(huán)量的影響比較明顯。并對出水流道中的特殊結構一一 燈泡體段進行了詳細的分析，同時對燈泡貫流泵裝置各部分的水力損失進行了計 算，結果表明出水流道燈泡體段水流很不均勻，燈泡體支撐和尾部區(qū)域都存在著 漩渦和偏流，該段是水力損失最嚴重的地方。再針對出水流道燈泡體段的具體特 點，擬定了流態(tài)優(yōu)化的具體方案。通過三維數值模擬，以各方案的水力損失，裝 置揚程和裝置效率為目標函數，詳細分析了燈泡體段支撐型線和燈泡體尾部型線 揚州人學碩士學位論文 化方案。數值計算的結果表明，過流部件的流線型越好，水流所受的阻力越小， 泵裝置效率就越高。本文研究成果為實際工程中提高后置燈泡貫流泵裝置的效率 提供了參考。 關鍵詞：貫流泵燈泡體流態(tài)數值模擬 丁二麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 i i i a b s tr a c t t h eb u l bt u b u l a rp u m p i n gs y s t e m ，w h i c hh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs m o o t hn o w p a t t e m si nt h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t s ，1 e s sh y d r a u l i cl o s s ，l a 瑪ed i s c h a r g ec a p a c i t ya n d h 逗hs y s t e me f h c i e n c y i se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rp u m p i n gs t a t i o n so ft h ee a s t - r o u t e s o u t h t o n o i r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t c o n s e q u e n t ly ，i th a sg o o da p p l i c a t i o nv a l u e a n dd e v e l o p i n gp o t e n t i a l h o w e v e r ，t h ea p p l i c a t i o no f1 a r g eb u l bt u b u l a rp u m p i n g s y s t e m si ss t i l ls e l d o m n o 、kt h e r ei so n l ys o m er e s e a r c ho ns y s t e mp e r f b r m a n c e ，a n d f e wo nt h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t so f b u l bt u b u l a rp u m p i n gs y s t e m a st h ei m p o r t a n t p a r t o f l a r g ep u m p i n gs t a t i o n ， i n l e ta n do u t l e tc o n d u i t s d i r e c t l y a f f e c t s y s t e m p e 痂n n a n c ea n ds a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fap u m p i n gs t a t i o n t h e r e f o r e ，a n a l y s i s a n dr e s e a r c ho no p t i m i z i n gn o wp a t t e mo ft h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t so f b u l bt u b u l a r p u m p i n gs y s t e mi sn e c e s s a r yf o rr e d u c i n gh y d r a u l i c1 0 s sa n di n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c y o fp u m p i n gs y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et h e o r i e sa n dt e c h n i q u eo fc f da n dc o m p u t e r h a r d w a r et b c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nm o r ea n dm o r e w i d e l ya p p l i e dt os t u d yn o wp a t t e m si nt h ep u m p i n gs y s t e m t h i sp a p e ru s e sn u m e r i c a l s i m u l a t i o no f3 dt u r b u l e n c en o wt os t u d yt h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t so f b u l bt u b u l a r p u m p i n gs y s t e m 1 a k i n g ap o s t p o s i t i o n a lb u l bt u b u l a rp u m pa sa ne x a m p l e ，3 de n t i t ym o d e l i n g d e s i g na n du n s t m c t u r e dm e s hg e n e r a t i o no fm o d e lp u m p i n gs y s t e m 甜ec o m p l e t e di n t h i sp a p e r ，m e a n w h i l e ，t h et e c l l r l i q u eo f1 0 c a l l yd e n s i t ym e s hi sa d o p t e dt oa c h i e v eh i g h a c c u r a c ya n dh i g hq u a l i t ym e s hg e n e r a t i o n s i m u l a t i n g3 dt u r b u l e n tf l o wf i e l d i nt h e b u l bt u b u l a rp u m p i n gs y s t e mb yf l u e n ti sb a s e do nt 、v o七一占m o d e l s c o m p a r i s o n b e t w e e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm o d e lt e s ts h o w st h a tt h er n g 七一占 m o d e l i sm o r es u i t a b l ef o rt h i sc a s e b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h en o w6 e l do ft h eb u l bt u b u l a rp u m p i n gs y s t e mi s i v 揚州人學碩十學位論文 o b t a i n e d t h en o wp a t t e mi nt h ei n l e tc o n d u i ti ss m o o t h ，b u tt h e r ea r ev o n e x e sa n d d e v i a t i o nn o wi nt h eo u t l e tc o n d u i t i ti sm a i n l ya f f e c t e db yt h eb u 【ba n dc i r c u l a t i o na t t h eo u t l e to fg u i d ev a n e ，a n dt h ea f 詫c to fc i r c u l a t i o na tt h eo u t l e to fg u i d ev a n ei sm o r e s i g n m c a n t t h e nt h ef l o wp a t t e mo f b u l bs e c t i 。nw h i c hi st h es p e c i a ls t n l c t u r eo ft h e o u t l e tc o n d u “i sa n a l y z e di nd e t a i lt o g e t h e rw i t ht h ec a i c u l a t i o no fh y d r a u i i cl o s sf o r e a c hp a n ，i ti sk n o w nt h a tt h en o wp a t t e mo fb u l bs e c t i o ni sn o tu n i f o r m ，t h e r ea r e v o r t e x e sa n dd e v i a t i 。nf l o wi nt h et a i lo f b u l ba n ds u p p o 九i n g ，a n dt h em a i nh y d r a u l i c l o s si si nt h i ss e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e “s t i c so f b u l bs e c t i o n ，t h es c h e m e sa r e s n j d i e do u tt oi m p r o v ef l o wp a t t e m t h k i n gh y d r a u l i cl o s s ， i i 幣n gh e a da n ds y s t e m e m c i e n c ya so b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ea t i f e c t i o no 九h es h a p eo ft h e s u p p o r t i n ga n dt a i lo nn o wp a t t e m ，a n d 丘n a l l yo b t a i n st h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ew h i c h c a ns i g n i 丘c a n t l yi n c r e a s et h es y s t e me f f i c i e n c y t h er e s u l to fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n i n d i c a t e st h a tt h eb e t e rt h es t r e a m l i n e df o r n lo fn o wp a s s a g ec o m p o n e n t ，t h el e s st h e h y d r a u l i cl o s s ，t h eh i g h e r f h es y s t e me f n c i e n c y a l lt h e s er c s e a r c hr e s u l t sa r eu s e f u lf o r i n c r e a s i n gt h es y s t e me m c i e n c yo fp o s t p o s i t i o n a lb u l bt u b u l a rp u m p si np r a c t i c a l p r o j e c t k e yw o r d s ：t u b u l a rp u m p b u l bb o d y ，n o wp a t t e r n ，n u m e r i c a ls i m u i a t i o n 于麗紅：后置燈泡貰流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 v 符號說明 符號物理含義 擾 速度矢量 “f沿f 方向的速度分量 p靜壓力 g 湍動能生成率 j湍動能粘性系數 p流體密度 x lf 方向的坐標分量 時均流速“ 甜脈動流速 時均壓力 p p 脈動壓力 七湍動能 七p 節(jié)點p 湍動能 占 湍動耗散率 p e j l 有效粘性系數 7 7 0應變率 流體的動力粘度 f w壁面切應力 v i揚州大學碩士學位論文 符號物理含義 螄p節(jié)點尸到壁面的距離 v絕對速度 v ， 相對速度 v f 非慣性參考系的平移速度 q旋轉坐標系的角速度 ，|旋轉坐標系中的位置向量 f 粘性應力張量 單位質量力 2 q v ， 哥氏加速度 q q ， 離心加速度 x笛卡爾坐標的位置向量 x 0 計算區(qū)域旋轉軸的初始位置 丁 扭矩 p 國 葉輪角速度 h揚程 - q流量 n軸功率 叩 效率 辦， 水力損失 j 于麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 揚州大學學位論文原創(chuàng)性聲明和版權使用授權書 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人聲明：所呈交的學位論文是在導師指導下獨立進行研究工作所取得的研 究成果。除文中已經標明引用的內容外，本論文不包含其他個人或集體已經發(fā)表 的研究成果。對本文的研究做出貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。 本聲明的法律結果由本人承擔。 學位論文作者簽名： 而善 - 、j 簽字日期：加g 年占月i y 日 學位論文版權使用授權書 本人完全了解學校有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即：學校有權保留并向 國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子文檔，允許論文被查閱和借閱。 本人授權揚州大學可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索， 可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。同時授權中國科學 技術信息研究所將本學位論文收錄到中國學位論文全文數據庫，并通過網絡向 社會公眾提供信息服務。 學位論文作者簽名：聿弱 u 簽字日期： 邙年6 月，) ，日 導師簽名況壟l 簽字日期：夕多年6 月廠之日 于麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 第一章緒論 1 1 燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)研究的目的和意義 水利工程在我國國民經濟各部門發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，泵站工程是水利工 程的重要組成部分。在我國，水泵站一方面廣泛應用于灌溉和排水工程，為農業(yè) 生產和減災防災服務；另一方面也大量地用于城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的供排水工程及工業(yè)供 水工程【1 】。可以說，泵站工程為國民經濟的可持續(xù)發(fā)展和全面建設小康社會提供了 強大的動力。 南水北調工程是一項舉世矚目的大型水利工程，其東線工程在項目建議書、 可研和初步設計階段，需要新建泵站5 1 座，揚程低于5 0m 的泵站占7 0 口j ，其 中第一期工程需新建泵站2 1 座，江蘇境內1 4 座，共有7 座初選燈泡式貫流泵機 組，主要考慮到貫流機組在低揚程情況下具有效率高、水力性能好等優(yōu)點。目前 這種類型的機組已廣泛應用于水輪機行業(yè)，但在泵站中運用還不多pj 。 大中型泵站通常采用專門設計的進出水流道，進水流道的作用是為了使水流 從前池進入水泵葉輪室的過程中更好地轉向和加速，盡量滿足水泵葉輪室進口所 要求的水力設計條件。出水流道的主要作用是為了使水流在流入出水池的過程中 更好地轉向和擴散，在不發(fā)生脫流或漩渦的條件下最大限度地回收動能【l 】?？梢?， 進出水流道內的水流流態(tài)直接影響著泵站的裝置效率和安全可靠運行。 因此有必要專門研究燈泡式貫流泵站的進出水流道，以更好地為南水北調工 程服務，指導工程實踐。本研究將建立大型燈泡貫流泵裝置的仿真數學模型，應 用f l u e n t 軟件進行數值計算，模擬出較為準確的進出水流道內的水流流態(tài)，在 對模擬出的流態(tài)分析的基礎上，提出改善泵站進出水流道流態(tài)的過流部件的形態(tài) 優(yōu)化措施，相信會對燈泡式貫流泵站流道內過流部件的合理設計、泵站運行的經 濟性和安全性起到重要作用。 揚州人學碩七學位論文 1 2 燈泡貫流泵裝置的研究現狀和發(fā)展 1 2 1 燈泡式貫流泵站的發(fā)展概況和特點 參照貫流式水輪機組的分類方法，貫流式泵機組可以分為軸身貫流式、豎井 貫流式、燈泡貫流式和全貫流式等四種結構型式【4 j 。燈泡式貫流機組從結構上分又 有多種型式。從燈泡體的布置來分有前置、后置兩種；從傳動方式來分有直接傳 動、間接傳動、垂直傳動三種：從安裝方式來分有中開、不中開兩種：從葉片調 節(jié)方法來分有不調、半調、全調三種【2 】。燈泡貫流式泵站具有以下特點：( 1 ) 進出 水流道是直進直出式，流道筆直，管路較短，水流基本上軸向通過流道，并軸對 稱流過水泵的葉片，符合水泵葉輪設計的基本假設條件【l 】，流道總的水力損失較小， 水力性能較佳，裝置效率較高。( 2 ) 葉輪位于水面以下，噪音小，汽蝕性能較好。 ( 3 ) 所有轉動部件都安裝在泵殼內，安全且便于檢修保養(yǎng)。( 4 ) 不必充水啟動， 無需設吸水槽，運行管理方便，便于自動化且開挖量小。( 5 ) 整體吊裝，起吊高 度小，泵房高度低適宜取消上部高大泵房，可以減小泵站土建投資。 燈泡貫流式水泵機組是伴隨燈泡貫流式水輪機的發(fā)展與技術成熟而起步的。 國外建造的貫流式水泵中，水泵直徑最大的是日本新川河泵站( d = 4 2m ，n = 1 3 0 0 k w ) ，其次是荷蘭艾莫伊登泵站( d = 4 0 m ，n = 1 3 0 0k w ) ，他們均為2 0 世紀7 0 年 代建成，此后日本建成的燈泡貫流泵站大多數為單機容量在1 0 0 0k w 以下的中小 型機組。在傳動方式上，艾莫伊登泵站為直聯傳動，日本基本上均為齒輪箱減速 傳動【5 1 。 國內從1 9 6 5 年開始研制燈泡貫流式水輪機，4 0 多年來，通過自行研制、技 術引進、與國外廠商合作生產制造、整機引進等途徑，目前國內燈泡貫流式水電 機組的研究、設計、制造、安裝與運行管理技術己趨于成熟。1 9 9 7 年建成的淮安 三站在國內首次采用了大型燈泡貫流式水泵，是目前配套功率最大的貫流泵站， 采用的結構是直接傳動、不中開、不可調葉片，即最為簡單的一種。該站投運后， 機組存在啟動成功率低、電機超功率、裝置效率不高等問題，未能達到原試驗研 究成果的水平 6 | ，一定程度上影響了大型燈泡貫流泵技術的發(fā)展。 予麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 為了積極穩(wěn)妥地推廣應用貫流式水泵，近年來江蘇省在一些中小型、年運行 時間較少的排澇泵站上選用豎井貫流泵和燈泡貫流泵，以期逐步積累經驗，為大 型貫流式機組的發(fā)展打下良好基礎【6 。因此，大型燈泡式貫流泵站在國內的運用還 不是很成熟。( 1 ) 目前國內已建的唯一的大型燈泡式貫流泵站就是淮安三站，但 是從運行情況來看，該泵站在設計和制造上均有一定的缺陷，因此，對于大型貫 流機組能否安全可靠運行還是難以把握的。( 2 ) 大型燈泡式貫流泵技術復雜。對 密封、大功率齒輪箱和葉片調節(jié)等技術，在設計和制造方面還存在許多疑難問題。 ( 2 ) 制造、安裝和檢修工期長。( 3 ) 貫流式機組造價未必低，隨著對其研究的深 入，比較發(fā)現土建費用與立式機組泵站差不多，若有擋洪要求，費用增幅較大。( 4 ) 大于4 m 的泵站效率優(yōu)勢不明顯pj 。 1 2 2 進出水流道的研究概況 1 2 2 1試驗研究 一 流場測試是研究進出水流道最直接、最有效的方法。目前流場測試的手段主 要有畢托球、五孔探針、激光流速儀( l d v ) 和粒子成像速度儀( p i v ) 。七十年代， 北村升【7 】研究了水泵吸水管路內水流運動并給出了完整的流速場；心i s i m a 【8 】研究了 軸流泵進水口處的回流現象。八十年代，劉超【9 】首次運用微型五孔測球、微型畢托 球對各種進水流道內部流場進行了全面測試，獲得了進水流道內較全面的的流場 特性。九十年代以后，湯方平、劉超等( 1 0 】在國內最早采用p i v 技術獲得了立式軸 流泵進出水口的流場。 模型試驗是研究進出水流道水力性能的重要研究手段，張慶范】對兩種貫流 泵裝置和立式軸流泵裝置在同樣測試條件下進行模型試驗研究，論證了在5 m 以下 采用貫流泵裝置的優(yōu)點。劉超舊通過研究雙向開敞軸流泵裝置，提出了獨特的曲 線喇叭管出水結構，取得了在低揚程泵裝置流道研究的突破，周濟人【1 3 1 研究了箱 涵式雙向進水流道內的渦帶發(fā)生規(guī)律及有效的消渦防渦措施，認為進水流道的主 要問題是渦帶。湯方平【1 4 】通過一組帶泵和不帶泵的裝置的水力損失進行測試，指 出了進水流道損失與流量基本成二次方關系，而出水流道損失與導葉出口環(huán)量有 揚州人學碩士學位論文 密切關系。陸林廣【l5 】提出了一種不帶模型泵的進水流道模型試驗裝置，認為這種 試驗裝置能減少實驗費用并縮短周期。 1 2 2 2 數值模擬 隨著計算機技術的發(fā)展和數值方法的不斷完善，采用數值模擬的方法研究進 出水流道流動狀況日趨成熟。閻超【1 6 j 應用計算流體力學來研究泵站進水流道，針 對貫流泵站裝置特點將三維流道簡化成二維軸對稱問題求解；陳紅勛1 17 】提出了勢 流假定下的大型泵站進水流道道內部流動的全三維直接邊界元的解析方法。陸林 廣借助商用軟件，對肘型【i s 】、鐘型19 1 、簸箕型【2 0 】、雙向進水流道開展了三維紊 流計算。成立、劉超等【2 2 】針對各種典型進水流道( 開敞式進水池、鐘形、簸箕型、 雙向進水流道) 紊流模型對流道內部流態(tài)及水泵進口處的流動進行了三維數值計 算。此外，江蘇大學 2 3 】【2 4 】，河海大學【2 5 】，武漢大學1 2 6 】俐等也針對一些泵站運用數 值模擬方法，研究了進出水流道的水力特性，并針對性地提出了流態(tài)改善措施。 數值模擬與模型試驗相結合研究進出水流道流態(tài)，運用于工程實踐，是計算流 體力學發(fā)展的一大突破。成立、劉超等1 2 8 】采用直接求解基于時均的n s 方程和七一占 方程紊流模型方程組的方法、通過數值模擬預測肘形彎管進水流道內部流動，并 通過試驗臺的模型試驗，優(yōu)選了肘形彎管的改造方案，改善了流速分布。陳松山【2 9 j 用同樣的方法對橢圓型線前置豎井貫流進水流道內的流動進行了三維數值計算， 并對模型泵裝置進行動力特性試驗，結果認為采用橢圓型線設計的豎井進水流道 合理，且泵裝置效率較高。劉軍、陸林廣等【3 0 jp u 采用三維紊流數值模擬計算和透 明流道模型試驗的方法，對進出水流道進行了流動分析，并提出了一些消渦措施。 由此可見，目前對大型泵站進出水流道的研究集中在一些較為常見的流道上， 專門針對燈泡式貫流泵站流道的研究很少，僅有一些裝置性能方面的研究。陸林 廣【3 2 j 利用單流道模型，對燈泡貫流泵進出水流道水力損失進行了測試，認為進出 水流道的水力損失與燈泡體布置的位置密切相關。鄭源【3 3 】【3 4 1 通過模型試驗，認為 燈泡式貫流泵有較好的水力性能和較高的效率，而且燈泡體前置優(yōu)于后置。王玲 花p5 j 分析了燈泡體、導葉布置位置、進出口安放角和葉柵稠密度等因素對雙向貫 流泵出流流態(tài)的影響。陸林廣，冷豫，羅庭【3 6 3 8 】對前后置燈泡貫流泵裝置的基本 于麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 流態(tài)，水力性能和內部流場進行了三維紊流數值模擬研究。湯方平、劉超等【3 9 】結 合淮河入河水道近期工程穿堤泵站的建設，以模型試驗為主配合c f d 分析，對后 置燈泡貫流泵裝置的燈泡體、擴散導葉和進出水流道等進行了比較全面的研究。 1 3 計算流體力學( c f d ) 發(fā)展概況 c f d ( 計算流體動力學) 是在流動基本方程控制下對流動進行數值模擬，其基本 思想可以歸結為：把原來在時間域和空間域上連續(xù)的物理量的場，用一系列有限 個離散點上的變量的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點 上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值【4 0 。 c f d 是現代模擬仿真技術的一種，是流體力學發(fā)展的重要分支，相當于“虛擬”地 在計算機上做實驗，用以模擬仿真實際流體的流動情況。 c f d 是2 0 世紀6 0 年代起伴隨著計算機技術迅速崛起的學科。經過半個世紀 的發(fā)展，該學科已相當成熟。近幾十年來，出現了如p h o e n i c s 、c f x 、s t a r c d 、 f i d 工p 、f l u e n t 等多個商用c f d 軟件，這些軟件性能日趨完善，應用范圍不斷擴大， 在工程界發(fā)揮著越來越大的作用。如今，c f d 技術的應用已遍及航空航天、船舶、 能源、機械制造、汽車、水處理、環(huán)保等眾多領域。從高層建筑結構通風到微電 機散熱，從發(fā)動機、風扇、渦輪、燃燒室等旋轉機械到整體外流氣動分析，流體 動力學可謂無處不在。 1 3 1f l u e n t 軟件簡介 本文計算使用的f l u e n t 軟件是我校于2 0 0 0 年購買的，至今已經過了兩次升 級。該軟件是美國f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 軟件，經過多年的開發(fā)改 進，是目前功能最全面，適用性最廣，使用最為廣泛的c f d 軟件之一【4 0 4 1 1 。 f l u e n t 軟件的結構由前處理器g a m b i t 、計算處理器、后置處理器三大模 塊組成。g a m b i t 作為專用的前處理軟件，它具有完整的建模能力，能夠準確地模 擬出分析對象的幾何外形；它具有強大的網格生成能力，它提供的非結構化網格 生成程序、網格的自適應技術和混合網格與附面層內的網格功能對解決各種復雜 6 揚州大學碩士學位論文 外形的流動非常有效；它還具有豐富的c a d 接口，可以讀入p r o e 、u g 、 a u t o c a d 等多種軟件的三維幾何模型和a n s y s 等多種c a e 軟件的網格模型。 f l u e n t 軟件推出了多種優(yōu)化的物理模型，如定常和非定常流動、層流、湍 流、不可壓縮和可壓縮流動、傳熱、化學反應和噪聲模型等等。對每一種物理問 題的流動特點都有適合的數值解法。它的湍流模型包括七一占模型、r e v n 0 1 d s 應力 模型、l e s 模型、標準壁面函數模型、雙層近壁模型等4 2 1 。 f l u e n t 可讓用戶定義多種邊界條件【4 3 1 ，如流動入口及出口邊界條件、壁面 邊界條件等，可采用多種局部的笛卡爾和圓柱坐標系的分量輸入，所有邊界條件 均可隨空間和時間變化，包括軸對稱和周期變化等。提供的用戶自定義子程序功 能可讓用戶自行設定連續(xù)方程、動量方程、能量方程或組分輸運方程中的體積源 項，自定義邊界條件、初始條件、流體的物性、添加新的標量方程等。 解的計算和顯示可以通過交互式的用戶界面來完成。用戶界面是通過s c h e m e 語言編寫的。其后處理器具有三維顯示功能，可以展現各種流動特性，有的還能 以動畫的形式演示非定常過程。 f l u e n t 軟件的基本程序結構【4 4 】如圖1 1 。 幾何形狀 圖1 1f l u e n t 軟件基本程序結構圖 于麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 1 4 本文的研究內容與目標 本文采用數值模擬的方法，研究某后置燈泡貫流泵站模型泵裝置出水流道流 態(tài)的調整。數值模擬時，在對現有流動計算方法和三維湍流模型分析基礎上，對 各種計算區(qū)域下的邊界條件設置進行詳細分析的結果上，從以下方面對泵裝置的 數值模擬和出水流道的流態(tài)改善進行研究。 1 、原始方案下燈泡貫流泵裝置流動模擬； 2 、燈泡體底部支撐為單支撐的貫流泵裝置流動模擬； 3 、燈泡體支撐型線為流線型的貫流泵裝置流動模擬； 4 、燈泡體尾部形狀為橢圓形的貫流泵裝置流動模擬； 5 、流線型支撐型線和橢圓形燈泡體尾部形狀下的貫流泵裝置流動模擬。 期望得到以下結果： 1 、通過選用較好的泵裝置三維湍流數值模擬方法模擬出較為準確的燈泡貫流 泵裝置的內部流場和裝置性能。 2 、通過一系列的計算分析，總結出減小燈泡體段水力損失，提高泵裝置效率 的燈泡體段過流部件型線的優(yōu)化方案。 揚州人學碩士學位論文 第二章燈泡貫流泵裝置三維湍流數學模型和計算方法 2 1 控制方程 2 。1 1 數值計算的基本方程 泵裝置內部水流的流動是復雜的三維湍流流動，湍流流動具有脈動性，可用 非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和n a v i e r _ s t o k e s 方程來描述湍流的瞬時運動?？紤]到泵裝置內 部的水體為不可壓縮流體，可以得出湍流的瞬時控制方程： 當：o( 連續(xù)方程) 缸 ( 2 1 ) 魯+ 毒c 叩戶f 一吉妻+ 殺c 動量方程， c 2 圳 式中，p 為流體的密度，為時間，甜。為f 方向的速度矢量，x ，( f = 1 ，2 ，3 ) 為坐 標軸；p 為壓力，為流體的動力粘性系數，f 為f 方向的體積力分量。 2 1 2 湍流數值模擬方法 目前的三維湍流數值模擬方法可以分為直接數值模擬方法和非直接數值模擬 方法。所謂直接數值模擬方法是直接求解瞬時湍流控制方程。非直接數值模擬方 法就是不直接計算湍流的脈動特性，而是設法對湍流作某種程度的近似和簡化處 理。根據所采用的近似和簡化方法的不同，又可以把非直接數值模擬方法分為大 渦模擬、統(tǒng)計平均法和r e v n o l d s 平均法。 1 直接數值模擬( d n s ) 直接數值模擬( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，簡稱d n s ) 方法就是直接用瞬時 的方程對湍流進行計算。d n s 方法的最大好處是無需對紊流流動作任何簡化或近 似，理論上可以得到相對準確的計算結果【4 5 4 6 1 。但是只有在非常微小的時間和空 丁麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 間步長下，才能分辨出湍流中劇變的時間特性和詳細的空間結構?；谶@個原因， d n s 方法對計算工具有很高的要求，對計算機的內存空間和計算速度要求非常高， 目前該方法還僅限于相對低的雷諾數中的湍流流動模型，還沒有真正用于工程計 算中。 2 大渦模擬( l e s ) 大渦模擬( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，簡稱l e s ) 方法的基本思想是用瞬時的n s 方程直接模擬計算湍流中的大尺度渦，而小尺度渦對大渦的影響則通過建立近似 的模型來考慮，這種影響模型稱為亞格子尺度模型。大多數亞格子尺度模型都是 將湍流脈動所造成的影響用粘渦性來描述，這樣就減少了計算的工作量和對內存 的需求，總體而言，l e s 方法對計算機內存及c p u 速度的要求仍比較高，但遠低 于d n s 方法，因而近年來的研究與應用曰趨廣泛。 3 r e y n o l d s 平均法( r a n s ) r e y n o l d s 平均法的核心是不直接求解瞬時的n s 方程，而是想辦法求解時均 化的r e y n o l d s 方程。這樣不僅可以減少計算量，而且能在工程實際應用中取得很 好的效果。 現在廣泛采用的r e y n o l d s 平均法，是把湍流看作由是時間平均流動和瞬時脈 動流動疊加而成，則湍流的特征變量流速和壓力可以表示如下： “= “+ “( 2 3 ) p = p + p ( 2 4 ) 式中：“為時均流速，銘為脈動流速；p 為時均壓力，p 為脈動壓力。 將上述兩式代入到( 2 1 ) ，( 2 2 ) 中，并對時間取平均，得： 絲：o ( 2 5 ) a x ， 揚州人學碩士學位論文 魯+ 毒c 蔬小一吉害十丟k 毒+ 等 - 瓦 + f 沼6 ， 上式即為r e y n o l d s 時均n s 方程( r e y n o l d s - a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e s ，簡稱r a n s ) 。 對比r a n s 與n s 方程，可以發(fā)現，時均流動的方程早多出了r e y n o l d s 應力 項r f = 一p “：“j ，乃實際對應6 個不同的r e y n 0 1 d s 應力項，即3 個正應力和3 個 切應力。則由連續(xù)方程和r e y n o l d s 時均方程構成的4 個方程( r e y n o l d s 方程實際 是3 個) ，現在增加了6 個r e y n o l d s 應力，再加上原來的4 個時均未知量( 其中 速度分量“。3 個，壓力分量p ) ，共有1 0 個未知量，因此，方程組不封閉，必須對 r e y n o l d s 應力進行模式化處理。 根據對r e y n o l d s 應力做出的假定或處理方式的不同，目前常用的湍流模型方 程有兩大類：r e y n o l d s 應力模型和渦粘模型。目前渦粘模型包括零方程模型，一 方程模型和兩方程模型，兩方程模型在工程中運用最為廣泛，目前最常用的兩方 程模型是標準尼一占模型，r n g 七一占模型【4 7 56 1 。 標準七一模型是在湍動能七方程的基礎上，引入關于湍動能耗散率s 的方程后 形成的兩方程模型。 七方程 p 嘗= 丟 ( + 嘗 籌 + g 。一 c 2 7 ， 占方程p 告= 毒陋+ 簀) 善 + 竿g 。一c ：。p 譬 c 2 剮 其中，“為湍動能粘性系數，即： ，：心。生 s g 。是湍動能生成率，即： ( 2 9 ) 于麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 l l g 。硝( 考+ 等 考 根據l a u n d e r 等的推薦值及后來的實驗驗證，方程中的模型常數的取值為： 為： c ，。= 1 。4 4 ，c ，。= 1 9 2 ，c 。= 0 0 9 ，萬，= l 。o ，仃，= 1 3 。 j #o“ # ( 2 1 0 ) i g 七一占模型是對標準七一占模型的一種修正形式，其湍流模型的七、s 方程 后方程 占方程 p 等= 毒卜形善l + 甌一臚 p 瓦2 瓦卜形瓦i + 魄一臚 ( 2 1 1 ) p 告= 苦卜毒 + c ，焉g 。一c 譬一尺 c 2 m ， 對于有效粘性系數夠，在高雷諾數時可修正為： 口。= y + 嘗，口。咿= y + 毒= p 等 c 2 邯， 在占方程中增加了r 項，r = 三塹里掣譬 ( 2 1 4 ) 鼽應變刪艄= 廚一= 甄若+ 甜舢川2 “3 8 經上述修正，并將r 項代入( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 式，可得： 尸凳：蘭l ( y + 旦) 婺l + g 。一伊 尸瓦2 瓦| _ + 茸瓦| + 甌一伊 ( 2 1 5 ) p 告= 毒 c y + 三，妻 + c 。丟g 。一c 。p 譬 c 2 舶， 揚州大學碩士學位論文 式：- c ：+ 警 方程中相關常數如下： ( 2 1 7 ) c 1 。= l 。4 2 ，c 2 。= 1 。6 8 ，c 盧2o 0 8 5 ，巧女= 0 t 7 1 7 9 ，仃。= o 。7 1 7 9 。 可見，對于高雷諾數的紊流，r n g 七一占模型與標準七一f 模型有著相同的形式， 只是在占方程中出現了一個附加生成項，當流動急速變化時，這一項顯著增大。 相比于標準七一占模型，r n g 后一占模型可以更好地處理高應變率、曲率較大、 旋轉流動、分離流動等較復雜的流動。 至此，上述連續(xù)性方程、動量方程、七一占模型下的七方程和占方程構成了本文 描述燈泡貫流泵裝置內部三維湍流流動的控制方程組。 2 2 邊界條件 2 2 1 進口邊界條件 流動進口邊界【5 7 銣】，就是指在進口邊界上指定流動參數的情況。常用的流動 進口邊界包括速度進口邊界、壓力進口邊界和質量進口邊界。 本文中泵裝置的進口邊界設置為質量進口邊界條件，選用m a s sf 1 0 w r a t e ( 進 口邊界上總的質量流量) 。由于采用了七一占湍流模型，質量進口斷面還需給出水流 湍動能量及其耗散率的邊界條件。本文采用了f l u e n t 軟件提供的默認值，湍動 能七和湍動耗散率占均為l 。 2 2 2 出口邊界條件 流動出口邊界條件是指在指定位置( 幾何出口) 上給定流動參數，包括速度、 壓力等。流動出口邊界條件是與流動進口邊界條件聯合使用的。 流動出口邊界條件一般選在離幾何擾動足夠遠的地方來施加。在這樣的位置， 流動是充分發(fā)展的，沿流動方向變量的梯度接近于零。在湍流流動中，一般認為， 于麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 1 3 上游的流動狀態(tài)可以影響下游方向的流場；而下游邊界的流動狀態(tài)影響不到上游 方向的流場。 本文中泵裝置的出口邊界設置為出流條件，此處的邊界條件很簡單，所有變量 ( 壓力除外) 的變化率均為零，即 型：o( 2 1 8 ) 融 式中：矽為待求的因變量。 2 2 3 壁面邊界條件 無論是標準尼一占模型還是r n g 七一s 模型，都是針對高r e 數的湍流模型，它 們只適用于求解湍流核心區(qū)的流動。而壁面區(qū)的流動，r e 數較低，湍流發(fā)展不充 分，湍流的脈動影響不如分子粘性的影響大，因此不能使用七一s 模型來求解整個 區(qū)域內的流動，常用壁面函數法或低r e 數七一占模型計算壁面區(qū)的流動。 壁面函數法基本思想是：對于湍流核心區(qū)的流動使用七一模型，而在壁面區(qū) 不進行求解，直接使用半經驗公式將壁面上的物理量與湍流核心區(qū)的求解變量聯 系起來。因此壁面函數法不需對壁面區(qū)域內的流動進行求解，相對于低r e 數七一s 模型，計算效率高工程實用性強，是f l u e n t 選用的默認方法，本文使用的就是 壁面函數法。 壁面函數法針對動量方程，給出了聯系壁面值與內節(jié)點值的公式： l 、動量方程中變量甜的計算式 當與壁面相鄰的控制體的節(jié)點滿足y + 1 1 6 3 時，流動處于對數律層，此時的 速度為： “+ ：三l n ( 緲+ ) ( 2 1 9 ) k f l u e n t 用戶手冊推薦1 ，+ 按下式計算： y + ：竺! 唑塑( 2 2 0 ) 。 1 4 揚州入學碩十學位論文 而此時的壁面切應力f 。滿足如下關系式： f 。= ? 4 七；佗“p “+ ( 2 2 1 ) 式中：“p 是節(jié)點p 的時均速度，尼，是節(jié)點尸湍動能，緲尸是節(jié)點戶到壁面的距離， 是流體的動力粘度。 當與壁面相鄰的控制體積的節(jié)點滿足j + 1 1 6 3 時，控制體積內的流動處于粘 性底層，其速度銘p 由層流應力應變關系“+ = y + 得到。 2 、湍動能方程與耗散率中七和占的計算式 在七一占模型中，后方程是在包括與壁面相鄰的控制體積內的所有計算域上進 行求解的，在壁面上湍動能后的邊界條件是： 絲：o 鋤 式中刀是垂直于壁面的局部坐標。 ( 2 2 2 ) 在與壁面相鄰的控制體積內，構成七方程源項的湍動能產生項g 。，及耗散率占， 按局部平衡假定來計算，即在與壁面相鄰的控制體積內g 。和占都是相等的。則 甌考_ 贏 鯽帆：庀j 。1 ，。 c ：似七；乃 占= j 一 腳p ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 注意，在與壁面相鄰的控制體積撒謊功能是不對占方程進行求解的，直接按上 式確定尸節(jié)點的占。 2 2 4 流體條件 流體條件實際上針對的不是具體邊界，而是一個單元組，即一個區(qū)域，因此稱 為流體區(qū)域條件。所有激活的方程都要在這些單元上進行求解。 在貫流泵裝置內，葉輪是旋轉的，而其他過流部件都是絕對靜止的。對貫流泵 于麗紅：后置燈泡貫流泵裝置進出水流道流態(tài)優(yōu)化研究 1 5 裝置內部流場的數值模擬，有兩種方式：( 1 ) 動靜結合的方式，作全通道模擬；( 2 ) 單通道方式，將葉輪與其他過流部件分開，單獨進行流場計算。本文采用前一種 方式，即動靜結合的全通道模擬。這樣可以將整個計算域按照部件的相對運動關 系分為若干子區(qū)域，充分考慮各部件之間的相互作用，獲得全面的流場信息。所 以在流體條件中，需要把葉輪室單獨設定。 f l u e n t 軟件對動靜交界的處理，通常有以下三種解決方法：多參考系模型 ( m u l t i p l er e f e r e n c ef r a m e ) 、混合平面模型和滑移網格模型【5 9 】。 1 、多參考系模型( m r f ) 多參考系模型的基本思想是把旋轉流場簡化為在某一位置的瞬時流場，將非定 常問題用定常方法計算。旋轉部件區(qū)域的網格