泵站出水流道基本流態(tài)分析

1、泵站出水流道基本流態(tài)分析 摘要：為了改進(jìn)泵站出水流道的水力設(shè)計(jì)方法，采用三維紊流數(shù)值模擬的方法，模擬了虹吸式、直管式和斜式三種型式出水流道內(nèi)的流動形態(tài)；發(fā)現(xiàn)出水流道平面方向上的擴(kuò)散情況較好，而立面方向在出口斷面附近則不同程度地存在著旋渦，該旋渦對流道出口斷面的流速分布有很明顯的影響；提出在流道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)最大限度地利用流道寬度方向的擴(kuò)散，以免出口斷面的有效面積過多地被旋渦擠占。 關(guān)鍵詞：泵站 出水流道 流態(tài) 近十幾年來，我國對水泵裝置作了大量的研究工作，特別是對低揚(yáng)程軸流泵水力模型和進(jìn)水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)的研究已取得很多進(jìn)展，有許多成果已經(jīng)在泵站工程中得到成功的應(yīng)用。由于種種原因，人們對進(jìn)水流道內(nèi)的

2、流態(tài)比較注意、比較了解，而對出水流道內(nèi)的流態(tài)則缺乏較為深入的了解。在過去相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，只做過一些關(guān)于出水流道水力損失方面的試驗(yàn)研究。出水流道是水泵裝置的一個重要組成部分，對水泵裝置的性能有非常明顯的影響。出水流道的水力設(shè)計(jì)至今仍建立在傳統(tǒng)的一維流動理論的基礎(chǔ)上，這種理論與出水流道實(shí)際的三維流動情況出入很大。近些年來，人們對出水流道在水泵裝置，尤其是在低揚(yáng)程水泵裝置中的作用，已經(jīng)有了愈來愈清楚的認(rèn)識，提出了重視研究出水流道水力設(shè)計(jì)理論和方法的要求。1997年9月1日頒布實(shí)施的國家標(biāo)準(zhǔn)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定：“出水流道布置對泵站的裝置效率影響很大，因此流道的型線變化應(yīng)比較均勻”1。 流道的外特性

3、是由其內(nèi)特性決定的，對流道內(nèi)特性的認(rèn)識應(yīng)是更為本質(zhì)的認(rèn)識。本文采用三維紊流數(shù)值模擬的方法，對虹吸式、直管式和斜式出水流道內(nèi)的基本流態(tài)進(jìn)行了初步的分析計(jì)算，力圖揭示這三種形式出水流道內(nèi)的三維流動形態(tài)，為認(rèn)識和解決各類有關(guān)出水流道的水力學(xué)問題奠定必要的基礎(chǔ)。 1 出水流道流動模擬的數(shù)學(xué)模型 泵站出水流道三維流動模擬采用了雷諾平均n-s方程，并以標(biāo)準(zhǔn)-紊流模型使方程組閉合。選用這種模型的原因，是因?yàn)樵囼?yàn)證明，標(biāo)準(zhǔn)-紊流模型對三維流動是非常適用的2。 1.1 控制方程 在定常條件下，泵站出水流場的不可壓流動可用以下一組方程描述： 1.連續(xù)方程 (1) 2.動量方程 (2) 3.紊動能方程 (3) 4.

4、紊動能耗散率方程 (4) 上述各式中，xi(i=1,2,3)為坐標(biāo)系坐標(biāo)，ui(i=1,2,3)分別為沿i方向的速度分量，fi為沿i方向的質(zhì)量力，p為壓力，為水的密度，v為水的運(yùn)動粘性系數(shù)。pr為紊動能生成率，其表達(dá)式為 (4a) 式中，vt為渦粘性系數(shù)，可采用下式計(jì)算： vt=c(2/) (4b) -模型中的有關(guān)常數(shù)為： 這里，為von karman常數(shù)3-5。 (1)(4)式也可統(tǒng)一地用下列橢圓型守恒方程式表示： (5) 式中，表示具有守恒型的通用變量，為擴(kuò)散系數(shù)，r為源項(xiàng)。對應(yīng)于的特定含義，與r相應(yīng)地具有特定的形式。 1.2 邊界條件 1.流廚口計(jì)算流場的進(jìn)口設(shè)置在水泵后導(dǎo)葉出口斷面，這

5、里無疑是充分發(fā)展的流動。專門設(shè)計(jì)的試驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)條件下，導(dǎo)葉出口的環(huán)量很小6，這里認(rèn)為導(dǎo)葉出口的環(huán)量為零。因此，流廚口的邊界條件僅提進(jìn)口流速垂直于流廚口斷面。 2.流場出口計(jì)算流場的出口設(shè)置在距流道出口有一定距離的出水池內(nèi)，這里的邊界條件近似按靜水壓力分布給出7，即 (6) 3.固體壁面出水流道邊壁、出水池底部等處均為固體壁面，其邊界條件按固壁定律處理8。固壁邊界條件的處理中對所有固體壁面的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用了無滑移條件，而對緊靠固體壁面節(jié)點(diǎn)的紊流特性，則應(yīng)用了所謂對數(shù)式固壁函數(shù)處理之。固壁處的摩擦速度可表為： u*=uw/ln(zw/dw) (7) 式中，zw為靠近固壁的單元的中心至固壁的距離，dw

6、為固壁的絕對糙度，uw為該單元平行于固壁的速度分量。 和可分別表為： (8) =u*3/zw (9) 4.自由表面 出水池的表面為自由水面，若忽略水面風(fēng)引起的切應(yīng)力及與大氣層的熱交換，則自由面對速度和紊動能均可視為對稱平面處理，而紊動能耗散率為 (10) 式中，zs為靠近自由表面單元的中心至自由表面的距離，s為該單元的紊動能量，cbe=0.079。 1.3 離散方程 出水流道流場的數(shù)值計(jì)算采用了控制體積法，虹吸式出水流道、直管式出水流道和15斜式出水流道的網(wǎng)格剖分情況分別示于圖1、圖2和圖3所示。圖4所示為計(jì)算中采用的錯列式網(wǎng)格系統(tǒng)(圖中僅給出x-y平面的網(wǎng)格示意圖，其它兩個平面的網(wǎng)格與此類似

7、)，非矢量變量的網(wǎng)格點(diǎn)均位于單元體的中心，而速度變量的網(wǎng)格點(diǎn)則位于單元體之間的交界面上。 圖1 虹吸式出水流道的網(wǎng)格剖分 這時(shí)，上標(biāo)“u”表示由速度u引起的對流擴(kuò)散作用，腳標(biāo)中字母的意義見圖4. 1)控制體表面對流強(qiáng)度的計(jì)算 meu=(1/2)ae(ue+uee) (16a) mpu=(1/2)ae(uw+ue) (16b) menu=)(1/2)(mn+mne) (16c) mesu=(1/2)(ms+mse) (16d) 2)控制體表面擴(kuò)散率的計(jì)算 deu=(1/2)e(ae+aee)/|e(ee)| (17a) dpu=(1/2)p(aw+ae)/|we| (17b) denu=(1/2

8、)(dn+dne) (17c) desu=(1/2)(ds+dse) (17d) dheu=(1/2)(dh+dhe) (17e) dleu=(1/2)(dl+dle) (17f) 式中，|e(ee)|則表示網(wǎng)格表面e至表面ee的距離，|we|則表示網(wǎng)格表面w至表面e的距離。 2 虹吸式出水流道的基本流態(tài)及分析 虹吸式出水流道在水泵機(jī)組停機(jī)時(shí)采用破壞真空的辦法斷流，操作簡便可靠，能及時(shí)切斷水流，機(jī)組倒轉(zhuǎn)歷時(shí)很短；此外，虹吸式流道還便于穿越堤防且不影響其安全。只是受駝峰頂部最大真空度的限制，一般適用于出口水位變化不大的場合。我國60年代初建造的第一座大型泵站(江都一站)即采用了虹吸式出水流道。在

9、以后建造的一百多座大型低揚(yáng)程泵站中，大多采用了這種形式的出水流道。 虹吸式出水流道斷面形狀變化比較復(fù)雜，上升段的斷面形狀由圓變方，在平面上逐漸擴(kuò)大、在立面方向上則略微收縮，過流面積逐漸加大；駝峰段一般為扁平狀的矩形，以盡可以降低峰頂?shù)淖畲笳婵斩?，峰頂斷面面積則按滿足形成虹吸所需的最小流速確定；下降段在立方方向上逐漸擴(kuò)散，在平面方向上或?yàn)榈葘?、或呈擴(kuò)散型，斷面形狀由駝峰處的扁平矩形逐漸擴(kuò)散為窄而高的矩形。 水泵設(shè)計(jì)工況下虹吸式流道內(nèi)的流態(tài)如圖6所示。由流場圖可以看到，在流道上升段，水流的流動比較平順，隨著流道斷面的逐漸擴(kuò)大，水流速度逐步減??；在駝峰段，水流急劇地轉(zhuǎn)向，在越過峰頂進(jìn)入下降段以后，強(qiáng)烈的慣性作用迫使水流偏向流道外側(cè)，而在流道內(nèi)側(cè)則形成了較大