（农业水土工程专业论文）驼峰后带长直管的泵站虹吸式出水流道水力特性研究.pdf

摘要 摘要 虹吸式出水流道具有总水头损失小，年耗电量和年运行费用低， 维修操作工作量少，断流方式简单，管理方便，运行安全可靠等优点， 因此国内大型泵站中多采用此类出水流道。由于地形地势条件、工程 施工条件及工程造价等的限制，常规虹吸式出水流道结构不再完全满 足泵站的要求，因此，驼峰后带长直管的虹吸式出水流道应运而生。 本文结合上海长江引水三期取水泵站工程水力模型试验研究课题，探 讨了这类特殊形式的虹吸式出水流道的水力特性。 驼峰后带长直管的虹吸式出水流道主要存在的问题是虹吸形成时 间比较长或者由于结构布置不合理无法形成虹吸。本文研究了影响虹 吸形成的各种可能因素，并结合水力模型试验研究，得出影响虹吸形 成的主要因素是出水池工作水位和驼峰顶部的排气孔是否进行排气。 水力模型试验是目前解决水力学问题普遍采用的种方法，它具 有直观、简单、可靠的优点。但是由于受到实验条件限制，也有其局 限性。本文结合模型试验对原模型相似问题进行了初步探讨，得出了 在虹吸形成过程中需满足的相似条件。 关键词：泵站；虹吸式出水流道；水力特性；模型试验； 一坚塑奎兰堡主堂垡堡苎 a b s t r a c 了 s i p h o no u t l e tc o n d u i th a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha st h es m a l l e rl o s s o ft h ew a t e rp o w e l , l o w e rc o n s u m p t i o no ft h ee l e c t r i cp o w e r , l o w e rc o s t s f o ro p e r a t i o n ，l e s sm a i n t e n a n c ew o r k ，e a s i e ro ft h ef l o wc u to f fa n d s a f e rf o ro p e r a t i o n s ot h el a r g ep u m p i n gs t a t i o n si no u rc o u n t r yu s es u c h o u t l e tc o n d u i t sf o r m s b e c a u s eo ft h el i m i t a t i o n so ft h et e r r a i nc o n d i t i o n s ， c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n sa n de n g i n e e r i n gc o s t s ，c o n v e n t i o n a lf o r m so ft h e s i p h o no u t l e t c o n d u i tc a nn ol o n g e rm e e tt h e f u l l r e q u i r e m e n t s o f p u m p i n gs t a t i o n s ，t h es i p h o no u t l e tc o n d u i tw i t hl o n ga n ds t r a i g h tc o n d u i t a f t e rt h er o o fc o m e si n t ob e i n g t h ep a p e rc o m b i n e sw i t ht h es t u d yo ft h e h y d r a u l i cm o d e l so fp u m p i n gs t a t i o n si ns h a n g h a it og e tt h ew a t e rf r o m t h ey a n g t z er i v e ra n de x p l o r e sh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f s u c ha s p e c i a l f o r mo fs i p h o no u t l e tc o n d u i t t h em a i np r o b l e mo ft h e s i p h o no u t l e tc o n d u i tw i t hal o n ga n d s t r a i g h tc o n d u i ta f t e rt h er o o fi st h a tt h et i m et of o r mt h es i p h o ni st o o l o n go rt h es i p h o nc a nn o tb ef o r m e da sar e s u l to ft h ei r r a t i o n a ls t r u c t u r e t h ep a p e rc o m b i n e sw i t ht h es t u d yo ft h eh y d r a u l i cm o d e l s ，r e s e a r c h e s f a c t o r sw h i c ha f f e c tt h ef o r mo ft h es i p h o n ，a n de d u c e st h em a i nf a c t o r s t h a ta f f e c t st h ef o r mo ft h es i p h o n ，w h i c ha r et h ew a t e rl e v e lo fo u t l e t s u m pa n dt h eg o i n go ft h ev e n ta tt h er o o fo ft h es i p h o n h y d r a u l i cm o d e lt e s ti sw i d e l yu s e dt os o l v eh y d r a u l i c sp r o b l e m s ， w h i c hh a sv i s u a l ，s i m p l ea n dr e l i a b l ea d v a n t a g e s h o w e v e r , b e c a u s eo f t h e e x p e r i m e n t a ll i m i t a t i o n s ，i t a l s oh a si t sl i m i t a t i o n s t h e p a p e r d i s c u s s e st h ep r o b l e m sa b o u tt h e s i m i l a r i t yo ft h ep r o t o t y p e a n dt h e m o d e l ，a n do b t a i n st h ec o n c l u s i o n sa n dm e a s u r e s ，t os o m ee x t e n t ，w h i c h h a v es o m eg u i d a n c ea n do p e r a t i o n k e y w o r d s ：p u m p i n gs t a t i o n s ；s i p h o n o u t l e t c o n d u i t ；h y d r a u l i c c h a r a c e r i s t i c s ：m o d e lt e s t ： 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确地说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：垒：垦w 5 年j 月。；日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他手段保存论文。本人电子文档的 内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海 大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：盐竺叠 伽；年；月，；日 第一章前言 1 1 问题的提出 第一章前言 出水流道是从水泵导叶出口到出水池之间的段过流通道。其主要作用有 二：一是将水泵提抽的水送至站外出水池，二是对出泵高速紊动水流进行一定程 度的整流，并适当降低流速，转化动能为压能，提高水泵的装置效率。出水流道 一般由两段组成：前段为水泵出水室，常见的出水室有弯管出水和蜗壳出水，在 国内已建泵站中，弯管出水室采用较多；后段又可分为虹吸式、直管式、屈膝式、 猫背式以及双向出水等几种“2 “，其各种流道布最图如图1 1 所示。 虹吸式出水流道是国内目前大型泵站采用较多的一种型式。这种流道虽然比 较弯曲，但因扩散段较长，且流速很小，故总水头损失较小，从长远来看可节省 耗电量和年运行费用：由于没有拍门或闸门及其启闭设备，金属材料耗量亦较少， 且可减少维修操作的工作量；断流方式简单，管理方便，运行安全可靠：可不破 堤施工，堤坝安全性高；适用于出水池水位变幅不太大的泵站。直管式出水流道 较虹吸式出水流道断面简单，施工方便，启动扬程较低，适用于出水池变幅较大 的泵站；但是直管式出水流道进口接水泵出水室后，纵向可以沿水平或向上倾斜 布置至出水池，大型机组容量较大，扬程上有浪费，即使电能有较多的消耗；出 口淹没在出水最低工作水位以下，故运行时要采用拍门或快速闸门断流，且断流 装置随着机组增大而复杂，尺寸增大，金属耗量增多，它的自动操作控制尚不完 全可靠。装有立式机组的泵站如果水位变化幅度较大而最低工作水位又较低时， 采用虹吸式出水流道满足不了驼峰顶部真空度的要求，采用直管式出水流道，出 口又不能被淹没，因而运行时都要浪费电能，为了避免能量损失，必须将出水流 道的出口降低，使之淹没在最低工作水位以下，这种布置型式就是屈膝式出水流 道。屈膝式出水流道采用拍门或快速闸门断流，同样存在断流装置随着机组增大 而复杂，尺寸增大，金属耗量增多，它的自动操作控制尚不完全可靠的缺点，并 且由于流道出口位置较低，断流装置检修比较困难。采用猫背式出水流道的情况 是：在低扬程卧式轴流泵站上，当水泵的临界气蚀余量较小，机组可以装在较高 位置时，进水流道从较低位置向上弯曲或s 形接水泵进口，当出水水位较低，为 一 塑塑查兰堡主堂垡笙奎 了不浪费扬程，将出水流道再弯曲向下接出水池。这种出水流道水头损失较大， 工作量和投资较少，最终要通过经济比较决定是否采用。双向式出水流道是为了 适应排灌要求，达到闸站结合，节省投资的一种布置方式，但这种流道结构比较 复杂，施工较困难，水头损失也比较大，目前在国内采用较少，缺乏成熟的经验。 通气孔 直管式出水流道 屈膝式出水流道猫背式出水流道 图i l 出水流道布置图 自从1 9 6 3 年江都排灌第一站成功采用虹吸式出水流道以来，我国已建成的大 型泵站中大多采用虹吸式出水流道，南水北调东线工程拟建的五十多座大型泵站 预计有一半左右也将采用这种虹吸式出水流道。由于虹吸式出水流道具有很多的 优点，国内外许多专家、学者和工程技术人员对虹吸式出水流道的水力特性进行 了大量的比较深入的研究，做了大量的模型试验和原型观测，从中积累了有关虹 吸式出水流道的水力特性的丰富资料，打下了较好的研究基础。如在对虹吸式出 水流道本身虹吸管道型线结构的优化设计上，刘超、陆林广、刘军“”1 等利用 c f d 技术进行紊流模拟，并对出水流道内的流动进行了三维紊流数值模拟，揭示 了虹吸式出水流道内的三维流动形态；提出通过建立虹吸式出水流道几何模型并 借助三维紊流数值模拟的方法，逐一改变流道几何尺寸，观测流态变化，逐步优 化流道型线，以最终实现虹吸式出水流道的优化水力设计，从而达到改善流道内 水流流态，减少水力损失。朱红耕、袁寿其、施卫东等。“分析了影响虹吸式 出水流道水力特性的主要设计参数一弯管处的夹角、上升段的平面扩散角、下降 段的下颅角等，在数值模拟流道内部三维流动和定性分析流道内部流态的基础 上，建立了虹吸式出水流道水力特性评价指标体系一关键断面的流速分布均匀度 2 第一苹前言 和流道的水力损失。刘梅清、杨文容等“2 3 对带虹吸式出水流道轴流泵站启动水力 过渡过程应用空气动力学原理，建立了泵站最大启动扬程计算的数学模型。陈松 山“1 “”1 通过分析研究低扬程泵装置( 启动虹吸驼峰压力) 流道内空气的动力学 特性，管内的非恒定流以及水泵的动力特性，结合实测的泵机组起动转速变化规 律，提出了起动过渡过程中虹吸驼峰压力变化近似计算的数学模型。李江云、马 颜斌“”“”3 对大泵站超驼峰水位运行压缩空气断流技术进行了系统的设计研究并 运用于实际，取得了很好的效果。杲东彦在其硕士毕业论文一虹吸式出水流道 三维紊流数值模拟及优化试验研究中更是详细的阐述了在三维流动数值模拟的 基础上，根据对虹吸式出水流道流态的要求，进行了出水流道的优化水力设计。 其基本思想是：给出一系列不同的出水流道边界，完成一系列相应的正命题计算， 用一系列的正命题的解来尽可能地逼近最优解。虹吸式出水流道三维流动模拟的 控制方程为雷诺平均n a v i e r s t o k e s 方程，并以紊流模型使方程组闭合。近壁流 动采用壁面函数法，方程离散采用控制体积法。对动量方程的求解，压力与速度 的耦合关系采用压力修正法s i m p l e 系列算法，变量的布置采用交错网格系统。虹 吸式出水流道三维流动的计算区域由虹吸式出水流道本身及具有一定长度的出 水池组成，计算区域在贴体坐标系上进行离散，三维网格的生成采用了微分法、 代数法及多块网格技术相结合的方法。虹吸式出水流道的形状比较复杂，为便于 进行优化设计计算，流道的几何形状分别采用尺寸控制和型线控制两类变量建立 动态的数学模型。为了验证数值模拟和优化计算结果，结合南水北调东线工程宝 应泵站建设的需要，对虹吸式出水流道优化前、后的两种方案进行了模型试验研 究。为此，设计了透明虹吸式出水流道的流态观察及水力损失测量装置。试验结 果表明：流场数值模拟结果与模型试验结果一致；优化后的流道的流态有了明显 的改善；优化后的流道水力损失减少了。模型试验结果表明：他所采用的这种虹 吸式出水流道的三维数值计算及优化方法是可行的”“。 然而，对于本文所指的驼峰后带长直管出水的虹吸式出水流道，是在常规虹 吸式出水流道结构基础之上进行变化，使之更适应实际需要的一种出水流道结 构，其基本结构如图1 2 所示。随着现代化进程加快，城市发展越来越快，人 口急剧增多，工业用水增大，为了解决城市水资源短缺矛盾，沿江逐级开发修建 取水泵站。这类泵站的泵房通常建在江边或江中，由于受到地形地势条件、工程 施工条件及工程造价等的限制，出水池( 水库) 距离泵出口较远，虹吸管道出口 污海大学顶士学位论文 肛- - 、罄j3 川 睦影7 弼 、翟 坚堡筻1 堑皇笪1 苎皇篁 图l - - s 平直管结构变化示意图 1 2 本文研究的主要内容 ( 1 ) 驼峰后带长直管的虹吸式出水流道的水力特性 驼峰后带长直管的虹吸式出水流道的水力特性主要是从研究这种特殊结构 型式的 h 水流道虹吸形成过程的现象入手，并和常规虹吸式出水流道虹吸形成过 型式的 h 水流道虹吸形成过程的现象入手，并和常规虹吸式出水流道虹吸形成过 妒 一 第一章前言 程进行比较，研究这类虹吸结构更有利于形成虹吸的机理。 ( 2 ) 影响驼峰后带长直出水管路的虹吸式出水流道的虹吸形成因素研究 影响虹吸形成的因素有虹吸式出水流道的型线结构与尺寸、水泵性能、进出 水池水位、流量、驼峰高程、驼峰处内外压力差、出水管长度与管径、开机组合 及机组位置、驼峰顶排气孔是否排气等。 ( 3 ) 模型与原型之间相似性问题 水力模型简单、直观、可靠，因此在解决工程水力学问题时，水力模拟仍是 目前采用较多的一种方法。而用水力模型试验的结果来预测原型，原模型之间就 必须遵循一定的相似条件和相似准则。但是，由于水力模型本身也还存在一些局 限，如模型相似律满足的程度，实验室条件限制等。本文将针对泵站虹吸式出水 流道对这些进行初步探讨。 河海大学硕士学位论文 第二章虹吸式出水流道水力特性分析 2 1 常规虹吸式出水流道水力特性 2 1 1 常规虹吸式出水流道的结构 虹吸式出水流道是利用虹吸原理出水的一种流道布置型式，流道进口接水 泵，出口淹没在出水最低工作水位以下，中间较高部位为驼峰，略高于出水最高 工作水位，用以直接阻挡工作范围内出水侧的水，代替出口事故闸门或拍门的作 用。正常运行时，流道形成虹吸后，驼峰顶部为负压，当机组停机时及时打开装 在驼峰顶部的真空破坏阀，使空气进入流道破坏真空，此时即能迅速切断两侧的 水流，防止出水侧水流倒灌进入进水池中，使机组很快停稳瞄l 。 常规虹吸式出水流道的结构型式如图2 1 、图2 2 所示。由图可见，虹吸 式出水流道由水泵出水室和虹吸管段组成。虹吸管段又由扩散管段、出水弯管段、 上升段、驼峰段、下降段和出口段等部分组成。为了连接方便，一般采用弯管出 水室与虹吸管段相接，弯管出水室由紧接水泵导叶之后的扩散管和出水弯管所组 成。扩散管可以使出水弯管断面加大以减少通过弯管的水头损失，弯管段是水流 改变流向的地方，水流流过弯管时容易在弯曲的内侧产生脱流，使弯管出口断面 的流速和压力分布不均，造成水流紊乱，增加局部阻力损失，降低水泵效率。因 此要求弯管各断面的变化均匀，并能顺滑的过渡到上升段中，上升段断面形状常 为由圆变方，在平面上逐渐扩大，而在立面上则略为收缩，其轴线向上倾斜。驼 峰段是虹吸式出水流道中最为关键的部分，有三个参数：驼峰断面的高度、宽度 和驼峰处曲率半径。下降段在平面上一般均为等宽的，但也有呈扩散形的，主要 取决于机组的间距和驼峰断面的高度。出口段，为了减少出臼阻力损失，需要尽 可能的降低出口流速，一般采用出口流速不大于1 5 m s 2 6 l i 矧。 第二章虹吸式出水流道水力特性分析 澎 箍 括 图2 1 常规虹吸式出水流道形式一 图2 2常规虹吸式出水流道形式二 2 1 2 常规虹吸式出水流道的虹吸形成过程 虹吸式出水流道在机组起动前，进口端与进水池相通的流道内水面与进水水 位相平，出口端与出水池相通的流道内水面与出水水位相平，中部驼峰则充满空 气，驼峰顶部的真空破坏阀是关闭的，流道内保持着与外界空气相隔离的状态， 在起动机组的过程中，水泵抽出的水进入出水流道，使进口端的水面逐步上升， 超过驼峰后即翻越驼峰向下降段下泄，水流在到达下降段水面以前，水泵的出水 量都是逐渐占有流道中空气的空间，使空气体积减少，空气因受压缩而压力增大， 如图2 3 所示。当流道内空气压力增大到超过真空破坏阀阀体自重和弹簧的压 紧力时，被压缩的空气就会将真空破坏阀顶开而排出管外，然后流道内空气压力 7 河海火学碗士学位论文 迅速回零，真空破坏阀随即自动关闭。这时，翻过驼峰的水流形成堰流，受重力 作用顺流道内壁面下落，与下降段水面衔接后形成旋滚，类似坝下淹没水跃，如 图2 4 所示。由于溢流水面的流速较快，加上旋滚作用，使水流具有较大的挟 气能力，将流道内靠近溢流面的空气沿着水面大量卷入水中并挟带逸出。流道中 的空气逐渐稀薄而形成负压。由于负压的作用，下降段内的水位迅速上升，水流 旋滚逐渐趋向缓和，降低了它的挟气能力，此时，依靠驼峰处的流速继续挟气， 当空气全部排出流道后，水充满全流道，虹吸形成的全过程即告结束，机组进入 稳定运行阶段。通常这一过程归结为四个阶段：机组起动阶段( a ) 、堰流阶段( b ) 、 虹吸半形成阶段( c ) 、稳定运行阶段( d ) 。虹吸作用形成过程可用图2 5 示意。 图2 3 虹吸形成过程中驼峰处空气压力变化过程线图 图2 - - 4 虹吸形成过程中虹吸管内水流流动 第二章虹吸式出水流道水力特性分 ! 斤 ( a ) ( c ) 图2 5 虹吸形成过程示意图 2 1 3 常规虹吸式出水流道的运行特性 ( d ) 常规虹吸式出水流道泵站启动运行前，通常会设置真空泵进行预抽真空，这 样能使出水水位较低时虹吸形成状况得以改善。”叫”1 。抽真空时，流道中出现负 压，使驼峰两侧的水位自动上升，真空抽至4 下降段水位上升至驼峰底部为止。由 于此时出水水位较低，抽走的空气较多，真空度较大，水位上升亦较高，机组启 动后就能在很短的时间形成虹吸，而且出现的最大扬程还有可能达不到水泵的马 鞍形特性区，机组因而不振动，大大改善了机组的工作条件。但是如果出水池水 位较高，效果将逐渐变差。当出水水位在接近驼峰底部时，由于能抽走的空气不 多，实际上抽真空就不起作用。 2 2 驼峰后带长直管的虹吸式出水流道水力特性 2 2 1 驼峰后带长直管的虹吸式出水流道的结构 本文所指的虹吸式出水流道结构型式如图1 2 、图2 - - 6 所示。相比较于常 规结构的虹吸式出水流道，在虹吸管段后多了一段或多段直管段。 9 o憩 河海大学硕士学位论文 ，一、7 0 0 4 7 ( 5 1 2 ) 由此可得出虹吸管模型的最小比尺，该比尺必须遵循佛罗德定律，即 l rs 列4 5 3 d 0 2 a h ( 5 1 3 ) 其中：d o = 2 0 5 m = 0 3 7 m 计算得 l rs 3 x 4 5 5 3 - d 。2 幽；8 9 第五章原模型相似问题 实际模型线性比尺为： 九= 8 满足要求。 从开机到满管虹吸流形成这一过程，管道实际上是非满管流管道，其流动原 则上是明渠流动。但是，在封闭管道中，下述现象是与明渠流动现象是不同的 ( t i e d t ，1 9 7 1 ) “：坡度一定，流量随水深的增加而增加，达到最大值，而后， 水深的增加将使流量减小到满流为止；在流量减小部分，流动是不稳定的，因为 无法控制的扰动使管道可能在全部充满和部分充满之间交替变化。 r e 及f r 表征了流动的特性。假设模型按照f r 来确定尺寸，这是自由表面流 动的典型作法，那么 原型中雷诺数为：r e d v y 模型中雷诺数为：r e 。d r o v e , r 。 d y 毒r ez 寿一号；= 丢地) 1 5，盟d 。kq 。d”九 、川 y m 即 模型的雷诺数比原型要小( l r ) 15 倍。 此时，只要管道阻力位于“完全粗糙”区，管道配件的阻力系数是常数，也 就是当某一个最小雷诺数以上，a = 常数及 = 常数。在这种情况下，模型可以 在任何r e ，r e “。的情况下进行，则可以满足相似。 下面对虹吸形成过程需满足的相似条件进行初步探讨。 由于虹吸形成过程是一个瞬态过程，与时间密切相关，因此，凡涉及到时间 因素均对虹吸形成时间的测定有影响。由第二章分析可知，影响虹吸形成的因素 可以用数学方法量化的有水的密度p ，重力加速度g ( 因有敞开自由液面和液面 的波动，必须要考虑重力加速度) ，水的粘性系数弘或运动粘性系数v ( 水的粘 性不同，对虹吸形成也是有影响的) ，泵站净扬程h ，流量q ，驼峰处内外压力差 p ，长直管长度f 和管径d 。虹吸形成机理复杂，影响因素繁多，且各个物理量 河海大学硕士学位论文 之间互相影响，凼此要定量分机各个物理量对虹口及形成的影响及影响程厦微为凼 难，只能采取抓住主要因素，忽略次要因素，进行定性分析。 虹吸形成时间与各个物理量的关系可以写为： t = 厂( dg 、，、h 、q 、p 、f 、d ) ( 5 1 4 ) 采用因此分析法来分析上述物理量对时间的影响以及原模型之间除了满足 惯性力相似、压力相似以外，还要遵循的原则。各物理量的因此式为： 【p 】；陋4 j k ；k pj i ， ；i 皿。1 r 4 j 陆 = f = 【d t 陋 q 。p r 。j p 】；b 岔r 2 j 上面各物理量的量纲中有三个基本单位：也】、田 、f 】，因此可选因次互 相独立的三个基本量。选p 、g 、h 为基本量，其余5 个( ，、f 、d 、q 、a p ) 为导出量。根据玎定理“”有 驴器“爿呐， 1 。1 _ 。丽。 滓2 一：。硒； 一d 1 。文玛2 丽5 t 刮啊= 南： 一 p f 码2 丽； 注：玎。玎；中口、p 、y 各不相同。 先推导i = 1 情况。 第五章原模型相似问题 由p = h 似1 丁1j 、 p 】= b 甜3j 、b 】= k 丁4j 、陋】a 旺】以及 即 所以 ，呼! ：j 瓯讯前 面m 搭南 l 。f 3 “脚r 。2 4i = 1 = l 一= - ：2 p 坍= - 1 一， 7 c1 同理可以求 万2 = 7 t 3 。 玎d 2 o 篁1 卢：二1 2 1 1 pg 2h2 q 15 g 2 h 2 对各量纲自变量作些分析 4 7 毹b 埔盼r k r h ，一“ ( 5 一1 5 ) 玎玎 丌万络 ，一h d h 竺触 = 凡 竺融 为q 咖 标2 以，一 可 了铲 m ，1孵 伊 叭 试 毗 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) , 0 9 2 h 2 匕： ：三三毕；三三垒：三三f r 毒2 h 1 2 p h _ 曲p 确h n g hp 确q g h pr e 其中：v 是虹吸管某特征截面的流速 可见：* 是雷诺数的导数与佛罗德数的乘积。如果水力模型的尺度取足够 p g - h j 大，使得雷诺数超过临界值，那雷罗数的影响就可以忽略不计。水的密度p 一1 ， 一1 。1 ，这项也可以忽略。这意味着了这一无量纲自变量就代表佛罗德数。 p 卢g - h j ( 2 ) 三、旦 这两项都是几何量之间的关系，对于既定的原模型，_ 、1 _ d 为常数，原型与 n n 模犁之间只需要满足几何相似即可。 ( 3 ) t q 了 g z h 2 舞5 赤丽q s 面1 可s v 嘉，r 其中：s 为虹吸管某特征截面的面积，矿= 詈意义同前 显然壹项表示砉与佛罗德数f r 的乘i ! ，对于既定的研究对引两爪刖可 恻鼽砉黼凯因此盍项代表的是佛罗德凯 在设计水力模型时，如果保证模型与原型的佛罗德数相等，就可以满足上面 两项的相似性，那么就有。a 每。 ( 4 ) 竺 n d h 4 8 第五章原模型相似问题 由于型；项涉及到虹吸驼峰顶的内外压力差，而压力差在虹吸形成过程中， 腭n 变化比较复杂，是一个波动过程，压力先增加，在有一段上下波动，而后在下降 直至稳定。为分析简便，将虹吸形成过程分为两个阶段加以说明。第一个阶段是 从开机运行时起到水流刚越过虹吸管段上升段，第二个阶段从第一阶段末开始到 虹吸完全形成。 第一阶段，p = p p o ，其中p 为虹吸管内受压空气的气压，假定气压均匀 分布，则p 就是驼峰处的气压。p o 为外界环境气压。现针对虹吸流道原型与对应 的水力模型来讨论竺。设水泵刚起动时，虹吸管道内的空气气压为外界环境大 p g a 气压p o ，体积为v 。，运行至时刻t 时刻，气压变为p 。，体积为初始时刻的三， 按照等温时理想气体气态方程有： 模型：圪v 。；咒。v 。、= ，蛾。 原型：p v ，；p o v 0 、p ；n p o a 没p o 。= 只= 只，即一个大气压 水力模型和原型都在常压大气压环境下运行，则 只。= 只= n 只 己= a p ；( 一1 ) e 原型： 竺：竺二! ! 墨 p s a飕h 模型：粤( n _ - 1 ) p n p g n 。p g n 。 而 i l ；a a 。 所以擘：罢；竺a p g h 。p g h 。p g h 这说明如果水力模型的环境大气压与原型相同，那么竺项不可能保持原模 腭n 型相似，也就是说明在模型试验中虹吸形成的第一个阶段原模型不相似。 b 设昂。： 昂； 只 a 河海大学硕_ 一学位论文 即如果模型试验在低于环境大气压下进行，则有 于是有 毫：要只、只；。只、蛾：等 l 尘生：旦：竺 p g h 。九p g h m p g h 这意味着，如水力模型在为原型的妻的环境大气压运行，那么无量纲自变量 竖可以保持相等，从而使水力模型和原型在虹吸形成的第一阶段保持相似。 腭n 第二阶段，虽然虹吸管的下降段内还有逐渐缩小的气泡存在，但是由于连续 的管流已经形成，可以近似认为主流为恒定流，故可以对驼峰处和出水池水面处 近似应用伯努力方程( 不计粘性损失) p + 毛o v 2 + o g ht & 式中：h 一驼峰到出水池水面的距离 将p = p 一咒代入上式，整理得 竺一一三f 旦1 一旦 ( 5 1 7 ) 一一l ；一i 一一 。 偌 2 i 曲j 上式表明，在第二阶段无量纲自变量竺实际上仅依赖佛罗德数，只要模型 和原型保持几何相似和佛罗德数相似，就可以满足盖是自动相等的。这意味着 虹吸形成过程的第二阶段的模拟不需要在抽真空环境下进行【4 7 】。 5 2 3 初始边界条件相似 在第三章模型设计时，水力模型设计为自循环开倘式系统，这是为了试验中 好率定泵站的流量和节省试验经费，以及对模型试验工况加以调节控制。自循环 系统对于研究泵站稳定运行时的抽水装置性能、水泵性能、进出水流态等非常有 利，但是对于研究动态过程，就存在一些问题，比如和实际工程中的边界条件是 否满足相似，机组起动初始条件是否满足相似? 开机的过程规律是否和实际运行 第五章原模型相似问题 规律一致? 本节将针对这些问题进行讨论。 ( 1 ) 前池 在试验过程中发现，开机起动前几秒内，前池水位下降很明显。这是由于 模型设计为自循环系统，开机之初，前池水位静止，开机后，由于水泵的抽水作 用，将前池的水抽送到出水管道中，出水管道的水要经过出水池再到全宽堰再到 前池，这个过程需要大约5 l o s 。在整个系统水完全循环稳定运行之前，前池 水位一直降低，这种情况在开启多机组运行时更为明显。这显然是与实际工程中 情况不致，实际工程中，取水管道是从长江引水，开机运行后长江中的水自然 会进入前池，补充前池水量的减少，从而使前池水位稳定在一定的数值。 ( 2 ) 出水池 同样的道理，对于出水池也存在开机之初，水位不能稳定在预定的数值范围 内。出水池出口设有两个管径为d = 4 0 c m 的出水阀，这在研究水泵性能时起到调 节出水池水位的作用。但是对于研究瞬态过程，就不能满足要求。如在开机之初 将水位调到设定水位，则意味着调节阀全关闭，否则水就会从调节阀管道流出， 不能保证水位一定。那么在开机后，大量的水从前池抽送到出水池，在虹吸形成 的过程不能很快将调节阀准确调到需要的开度，加上虹吸形成过程是个瞬变过 程，水泵抽送的水流量是个变化值，这更加难以准确调节阀门开度以满足出水池 水位一定。如在开机之初，阀门打开，则开机之后，出水池水位会明显上升，这 也会影响虹吸形成的条件( 关于前池、出水池水位变化影响虹吸形成在第二章已 讨论) 。尽管出水池水位变化在5 c m 左右，但是若换算到原型是4 0 c m 左右，这与 实际情况也是不符的。在实际工程中，由于出水池容积较大，对于开机之初，水 位虽然也有增加，但是没有模型试验中这么明显，这个水位变化对虹吸形成影响 不如模型中厉害。另外，由于系统是循环的，在虹吸形成过程，水泵抽送的流量 不会立刻从出水池到前池，这对前池水位也是有影响的。 5 3 处理的方法及预期结果分析讨论 由5 2 节分析可知，由于相似准则数之间本身存在矛盾以及试验条件的一些 限制，造成模型试验和原型之间不能满足完全相似。但是，我们不能就此放弃用 模型试验来研究预测原型。 河海大学硕士学位论文 在做虹吸试验时，通常在一个大气压环境下进行。这样虽然没有做到和原型 完全相似，但是在5 2 节分析时看到，只有在虹吸形成的第一阶段不能满足相似 要求。 由只。= 只= n e o 、己一p ；0 - 1 ) e , 和匕。旱e 、# ：。只、只：竽 可知，在模型试验中，受压缩空气的压力值已偏大，它是抽真空环境的相应值 的a 倍。这表明水泵起动运行后，虹吸管的下降段原有的水将更早地被压缩空气 推出去，也就是说，第一阶段的过程时间比实际的情况要小。如果以此时问推算 到原型，原型中的虹吸形成时间实际上要长。 不过，在试验过程中发现，第一阶段的时间要比第二阶段的时间短很多。因 此，在常压下做的虹吸出水流道的水力模型试验来预测原型虹吸形成时间不会造 成明显的误差，是可行的。 对于初始边界条件的相似存在的问题，通常是由于动力不够引起，因此在有 条件的情况下，为了更准确的研究虹吸形成这个瞬态过程，可以特别设计模型试 验，采用非循环方式，对初始边界条件实现自动控制。然而结合泵站整体水力模 型试验，对于起始条件不能满足，不过虹吸形成的规律还是一致的，不会产生明 显的偏差。 第六章结论与展望 6 1 结论 第六章结论与展望 本文结合上海市长江引水三期取水泵站工程整体水力模型试验，对驼峰后带 有不同布置结构的长直管的虹吸式出水流道结构布置进行了试验比较，并对其中 一种结构进行了详细研究和分析，同时也对泵站原模型试验相似问题进行初步探 讨，得出以下结论： ( 1 ) 对于驼峰后带长直管的虹吸式出水流道，如虹吸管后仅有一段长直管， 则在设计时定要注意长直管的高程，需满足在最低工作水位以下。但是通常受 到地形地势条件、工程施工条件及工程造价等的限制，长直管道的高程不能满足 在最低工作水位以下，则在机组启动后需要相当长时间形成虹吸或无法形成，这 在工程实际中是不允许的，因此需对这种单一长直管结构进行改进优化。修改方 案如本文中的优化方案，就很好解决了虹吸形成困难或无法形成的问题。 ( 2 ) 影响这种特殊结构形式的虹吸式出水流道虹吸形成的主要原因是出水池 工作水位和在开机之初驼峰顶部的排气孔是否进行排气。出水池工作水位太低， 则长直管内气体较多，要将气体全部排出则需要较长时间，同时排气的过程还有 掺气的可能，不利于虹吸尽快形成和机组稳定运行。开机对驼峰顶部的排气孑l 排 气，一是可以减少通过出水管口排出的气体( 即靠水力作用排气过程时间减少) ， 有利于虹吸尽快形成，并减少因气体的排出而在出水池中兴起的涌浪和喷溅；二 是能降低启动过程中出现的压力峰值及扬程峰值，减少机组的震动。 ( 3 )水力模型试验是目前解决水力学问题普遍采用的一种方法，它具有直观、 简单、可靠的优点。但是由于受到实验条件限制，也有其局限性。一是模型试验 相似准则数之间本身存在着矛盾使得原型和模型之间不可能做到完全相似；二是 对于虹吸形成过程来说，是一个瞬变过程，如仅仅满足几何相似和佛罗德数相似， 并与原型一样同在一个大气压下进行试验，则用模型试验结果预测原型中虹吸形 成时间偏小，但是不会造成明显的误差；三是由于模型装置是自循环系统，使得 边界条件和初始条件不能满足完全相似，使得试验结果也是有一定偏差，在试验 河海大学硕士学位论文 过程中需要采取一定的措施来改善。 6 2 展望 本文在对驼峰后带长直管的虹吸式出水流道的水力特性研究时，主要研究了 虹吸形成过程及虹吸形成影响因素，而对于该类结构的虹吸形成机理研究还不 够，有待做进一步的研究。 物理模型具有直观、简单、可靠的特点，水力模拟成为解决各种水利工程问 题的普遍公认的一种工具，但是，同时受模型尺寸、相似律和比尺效应的限制， 有时也需求助于其他工具，比如数学模型。近年来，随着电子计算机技术的发展， 数值模拟已相当成功地被应用于工程水力学中的一些领域。在常规虹吸式出水流 道内水流流态的三维模拟方面，虹吸启动过渡过程的数学计算等，国内已有相关 论著。因数学模型具有速度快、投资省、可以仿真模拟等优点，得到了越来越广 泛的应用，但数学模型受建模方程组的完整性、空间与时间的分解程度、数值的 稳定性和求解方案的收敛性以及边界条件和初始条件的已知程度的限制，还不能 完全取代物理模型。因此，将数模和物模两者结合起来应用于工程水力学领域中， 必将给流态的模拟和虹吸流道结构的优化布置带来更大的便利。 目前，采用三维紊流数值模型进行泵站前池流态的数值模拟己成为一种趋 势，而对于虹吸式出水流道的水力特性数学模型的研究才起步。因此，在今后的 研究中，应加强数学模型在模型试验中的地位，使其成为指导模型设计、模型试 验乃至泵站设计的一种重要工具。进一步加强对模型与原型之间的相似律的研 究，优化模型设计，为模型试验提供更加可靠的试验条件。另外，希望以后能对 泵站原型作跟踪测量、观测，对比分析原型和数值模型、物理模型之间的差异， 不断完善物理模型的理论知识，减少物理模型的“比尺效应”的影响，改善以后 研究的方法和提高研究的理论水平。 参考文献 参考文献 1 湖北省水利勘测设计院主编大型电力排灌站 m 北京：水利电力出版社，1 9 8 4 2 华东水利学院编抽水站 m 上海：上海科学技术出版社，1 9 8 7 3 匠传忻编泵站工程 m 武汉：武汉大学出版社，2 0 0 1 4 陆林广，刘丽君，刘军泵站出水流道基本流态分析 j 水利学报2 0 0 0 ( 3 ) ：6 9 7 6 5 陆林广，果东彦，祝婕大型泵站虹吸式出水流道优化水力设计 j 农业机械学报2 0 0 5 ， 3 6 ( 4 ) ：6 0 6 3 、6 8 6 刘军，邓东升，马志华宝应泵站流道优化设计与模型试验研究 j 南水北调与水利科 技2 0 0 5 ，3 ( 2 ) ：2 2 2 5 7 朱红耕，袁寿其，施卫东大型泵站虹吸式出水流道水力特性分析 j 。中国农村水利水 电2 0 0 5 ( 7 ) ：7 1 7 3 ，7 6 8 湖北省水利勘测设计院，江苏农学院，山西省水利勘测设计院等+ 小型水利水电工程设计 图集( 抽水站分册) m 北京：水利电力出版社，1 9 8 3 9 汤方平，袁家博轴流泵站进出水流道水力损失的试验研究 j 排灌机 械，1 9 9 5 ，( 3 ) ：1 3 1 4 1 0 刘小龙，施卫东，潘中永等泵站出水流道三维不可压湍流流场数值模拟 j 中n a h t i ( 利水电，2 0 0 3 ，( 6 ) ：2 5 2 7 1 1 严登丰泵站过流设施与截流闭锁装置 m 北京：中国水利水电出版杜，2 0 0 0 ，7 9 8 9 1 2 刘梅清，杨文容，徐叶琴带虹吸式出水流道轴流泵站起动水力过渡过程研究 j 武汉 大学学报( 工学报) ，2 0 0 3 ，3 6 ( 1 ) ：1 4 1 33 怀利e b ，斯特里特v l ( 清华大学流体传动与控制教研组译) 瞬变流 m 北京：清华大 学出版社，1 9 8 3 1 4 陈松山，严登丰，陆伟刚低扬程泵装置起动虹吸驼峰压力分析 j 排灌机械2 1 ( 4 ) ： 1 0 1 2 1 5 y a hd f ，l i u c d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fp u m p i n gs y s t e md u r i n gs t a r t i n g p e r i o d c t h e3 ”j a p a n c h i n aj o i n tc o n f e r e n c e o nf l u i dm a c h i n e r yo s a k a 1 9 9 0 1 6 z h o uf ，h i c k sf ，a n ds t e f f l e rp t r a n s i e n tf l o wi nar a p i df i l l e dh o r i z o n t a lp i p e w i t ht r a p p e da i r j h y d r a u l i ce n g e e r i n g 2 0 0 2 ，( 6 ) ：6 2 5 6 3 4 1 7 陈松山，严登丰，陆伟刚低扬程虹吸流道泵装置起动动态特性数学模型 j 流态机 械2 0 0 4 ，3 2 ( 6 ) 】8 李江云，马彦斌大泵站超驼峰水位运行压缩空气断流系统的设计方法 j 水利学报， 1 9 9 9 ( 8 ) ：6 l 6 6 河海大学硕士学位论文 1 9 李江云，马彦斌大泵站超驼峰断流技术及其应用 j 中国农村水利水电，1 9 9 8 ，( 7 ，： 2 4 2 6 2 0 刘承玉大型泵站断流设施改造探讨 j 中国农村水利水电，2 0 0 3 ，( 4 ) ：5 i 5 3 2 1 吕省三