（水力学及河流动力学专业论文）泵站进水流道水力模拟与研究.pdf

摘要 泵站进水流道是泵站供水系统的重要组成部分，流道设计是否合理，涉及到水泵运 行的安全、经济问题，合理的流道结构设计，对于提高水泵运行效率，延长水泵使用寿 命，以及节约工程造价具有重大作用。 进水流道在正向进水或侧向迸水方式下，都容易在前池中发生偏流、脱壁回流、旋 涡等不良水流现象，进而影响到吸水室内水流流态。 本文结合印度a p l 电站循环水泵房进水流道设计，依据重力相似准则，按照1 ：1 0 的相似比尺设计了泵站进水流道水工模型，并开展了试验研究工作，试验结果表明设计 方案流道水流在扩散段内未能充分扩散，导致吸水室进流条件较差，不满足规范要求。 针对流道内存在的偏流、旋涡等不良水流现象，提出了增加底坎和横梁等整流设施的优 化方案，试验结果表明优化方案流道流态得以显著改善，符合规范要求。 为与试验结果进行对比验证，本文建立了基于r n gk g 紊流模式的进水流道三维 水流模型，采用基于混合网格的有限体积法离散求解三维水流控制方程。利用已有试验 资料对所建立的模型进行了验证计算，结果表明该模型具有良好的模拟能力，可以满足 泵站流道水流模拟计算要求。利用该计算模型对a p l 工程模型试验中的设计方案和优 化方案进行数值模拟，分析了设计方案下导致前池内不良水流现象的原因，以及优化方 案下底坎和横梁共同作用时的整流效果，对计算流场的可视化直观展现了流道内水流运 动规律。与试验资料对比结果表明，r n gk g 紊流模型在泵站进水流道水力模拟方面 表现出了良好的适应性；数学模型能较好地模拟流道内三维复杂流态，准确地预测水流 运动现象，可与水工模型试验起到相辅相成的作用。 关键词：物理模型、三维数值计算、泵站、进水流道、水流流态、结构优化 a b s t r a c t t h ei n t a k ec h a n n e lo f c i r c u l a t i n gw a t e r ( c 哪s y s t e m i np o w e rp l a n ta n di t sa r r a n g e m e n ti sa l l i m p o r t a n tp a r t so ft h ew a t e rs u p p l ys y s t e m w h e t h e rt h ed e s i g no fi n t a k ec h a n n e lo f c i r c u l a t i n gw a t e rs y s t e mi sr e a s o n a b l eo rn o ti n v o l v e st h es a f e t ya n de c o n o m i cp r o b l e m so f c w p u m po p e r a t i o n ；a n dr e a s o n a b l ea r r a n g e m e n to fi n t a k ec h a n n e lh a ss i g n i f i c a n tf u n c t i o n s o ni m p r o v i n gt h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c y , e x t e n d i n gt h es e r v i c el i f eo fw a t e rp u m p ，e n s u r i n gt h e s a f e t ya n df u l lp o w e rg e n e r a t i o no fp o w e rp l a n t ，a n ds a v i n gc o n s t r u c t i o nc o s t w h e t h e rt h ei n t a k ec h a n n e la d a p t st h ea r r a n g e m e n to fl a t e r a li n t a k ec h a n n e lo rf o r w a r di n t a k e m o d e ，t h ea d v e r s ef l o wp a t t e r n so c c u re a s i l yi nf o r eb a y , s u c ha sb i a sc u r r e n t ，c i r c u m f l u e n c e w h i c hg o e so u to fw a l la n dv o r t i c e s ，w h i c hc a na f f e c tt h ef l o wp a r e mi ns u c t i o nc h a m b e r c o m b i n e d 研t ht h ed e s i g no fa p lp o w e rp l a n tc wp u m pi n t a k e ，a c c o r d i n gt of r o u d e s i m i l a r i t yc r i t e r i a , ap h y s i c a lm o d e l 、析t l ls e a l i n g1 ：10h a sb e e nd e s i g n e da n du s e dt or e s e a r c h t h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i c so f p u m ph o u s ei n t a k ec h a n n e l t h et e s tr e s u l to fd e s i g ns c h e m e a r r a n g e m e n ts h o w st h a t ：u n d e rt h ei n f l u e n c eo fp i p e - i n l e tm o d e ，m a i nf l o wo u to fi n l e tp i p e w a sc e n t r a l i z e da n dc o u l d n td i f f u s ef u l l y i ns u c t i o nr o o m ，t h ef l o wp a t t e r nw a sn o t s a t i s f a c t o r y ；t h em a i nc u r r e n ts t i l ld e f l e c t e ds t r o n g l y ；t h e r ew e r el a r g e r a n g eb a c k f l o wn e a r b e l lm o u t h ，w h i c hc a n tm e e tt h es t a n d a r d a i m i n ga tt h eb a df l o wp a a e m ，s o m er e c t i f y i n g f a c i l i t i e si n c l u d i n gs p a t i a lb e a ma n df l o o rb e a mf o re n e r g yd i s s i p a t i o nh a db e e ns e ti nf o r eb a y , w h i c hc o u l df o r c et h em a i nf l o wt od i f f u s em o r ee a r l ya n ds u f f i c i e n t l y b yt h i sm e t h o d ， v e l o c i t yd i s t r i b u t i o ni np u m ph o u s eh a db e e nm o r ee v e na n ds y m m e t r i c a l t h ed e f l e c t i n g c u r r e n ta n du n s t a b l ef l o wo c c u r r e di n o r i g i n a ls c h e m eh a db e e nd e s t r o y e d ，w h i l s tt h e r e c o m m e n d e ds c h e m ef o rp u m ph o u s ed e s i g nh a db e e ne n s u r e d b a s i n go nr n gk - - & 7 t u r b u l e n c em o d e l t h et h e s i ss e e k st om a k ec o n t r a s tv e r i f i c a t i o nw i t h t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa n da3 dn u m e r i c a lm o d e lo fi n t a k ec h a n n e lw a sd e s i g n e d t h et h e s i s a d a p t sf i n i t ev o l u m em e t h o db a s e do nh y b r i dg r i dt od i s c r e t i z et h e3 d w a t e rf l o wg o v e r n i n g e q u a t i o n s b yu s i n gt h ee x i t i n ge x p e r i m e n tr e s u l t s ，t h et h e s i sm a k e sv e r i f i c a t i o no fn u m e r i c a l m o d e la n dt h er e s u l ts h o w sn u m e r i c a lm o d e lh a sg o o da b i l i t yo fs i m u l a t i o na n di tc a nm e e t t h ed e m a n d so ff l o ws i m u l a t i o ni np u m pi n t a k ec h a n n e l d e p e n d i n go nn u m e r i c a lm o d e l ，a s i m u l a t i o nw a s m a d ef o rt h ed e s i g ns c h e m eo fp h y s i c a lm o d eo fa p lp r o j e c ta sw e l la st h e o p t i m i z e ds c h e m e ，w h i c ha n a l y z e dt h ec a u s eo ft h ea d v e r s ef l o wp a t t e r n si nf o r eb a yu n d e r t h ed e s i g ns c h e m ea n dr e c t i f i c a t i o no fs p a t i a lb e a ma n df l o o rb e a mu n d e rt h eo p t i m i z e d s c h e m e ；t h ev i s u a l i z a t i o no fc f di n t u i t i v e l ys h o w st h ef l o wm o t i o nl a wi nt h ec h a n n e l t h e i t c o n t r a s t i n ge x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wn u m e r i c a lm o d e lc a l lw e l ls i m u l a t ew e l l3 dc o m p l e x f l o wp a t t e r n si np u m pi n t a k ec h a n n e l p r e d i c tt h ef l o wm o t i o na n d w o r kw i t l lt h ep h y s i c a l m o d e lc o m p l e m e n t a r i l y k e y w o r d s ：p h y s i c a lm o d e l ，3 dn u m e r i c a lm o d e l i n g ，p u m ps t a t i o n ，i n t a k ec h a n n e l ，w a t e rf l o w p a t t e r n ，s t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n i i i 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 明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明： 2 0 0 9 年7 月 南京水利科学研究院、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、 缩印或其他复制手段保存论文。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) 授权南京水利科学研究院研究生处办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 9 年7 月 第l 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 泵站作为水利工程的重要组成部分之一，在防洪排涝、农电灌溉、水环境治理、引 调水、城镇供排水、工业供水、矿山排水、水力输送等多方面发挥着重要作用，成为水 资源优化配置的重要节点工程【l 】。 二十一世纪以来，我国大中型泵站的建设进程加快，泵站建设日趋向高水头、大流 量方向发展。高水头大容量立式轴流泵应用越来越广泛，逐步运用到市政供水、排污排 洪、农业灌溉、非自流式跨流域调水及火核电厂循环水系统等，原有单一的常压泵也出 现了朝中低压、高低压或高中低压泵发展的趋势。水泵的效率与运行寿命除与水泵装置 本身有关外，还对进水条件相当敏感，只有具备良好的进水条件才能保证水泵安全高效 运行。 水泵的效率和寿命与水泵的进出口水流条件密切相关，国内外已出现过一些大型泵 站因进水流道设计与水泵装置不匹配而失事的案例，在我国已有很多泵站不能安全正常 运行的事例，如：湖北省洪湖市的新滩口泵站自上世纪八十年代投运以来，机组一直存 在强烈的振动现象，受结构限制，至今尚未找到有效解决措施；湖南省牛鼻滩泵站机组 也存在强烈的振动问题，更换过几次主水泵，但问题一直未能解决；广东省东深供水二 期工程主水泵叶片出现裂纹和断裂现象；还有一些大型电厂循环水泵产生强烈的噪声， 叶片气蚀严重，效率低下，能耗较大；另外，国内众多的排灌泵站也存在较多的效率低 下的问题。造成泵站效率偏低的原因是多方面的，如设备老化，施工质量无法保障，运 行管理不当等，但一个很重要的原因是泵站设计不够合理，流道水力条件较差。 本文主要研究火核电厂循环水泵进水流道水力特性。火核电厂循环水泵站建筑结 构布置紧凑，进水流道清污室内一般布置有旋转滤网，防止水巾杂质进入吸水室。电厂 循环水泵站与排灌泵站、引调水等泵站的区别体现在，要求其长期稳定高效运行，因效 率直接影响电厂效益，如因进水条件不良降低水泵装置效率或使水泵事故停机，将给电 厂带来巨大经济损失，故电厂泵站进水流道水力特性尤为重要。 1 2 研究现状 电厂循环水泵站流道可分为进水流道和出水流道，本文仅研究进水流道，下文提到 泵站进水流道水力模拟与研究 的泵站流道均表示泵站进水流道。进水流道属于泵站的进水建筑物，主要由前池和吸水 室组成。前池是引水渠( 管) 与进水池的联接段，使引水渠中的水流均匀平顺地扩散到 吸水室，以使泵站每台机组有较为平顺的进水流态。吸水室是供水泵直接吸水的水池， 用于承接前池和水泵进水管。 电厂泵站布置场地、进水流道型式、水泵运行方式、取水水情的变化等因素往往导 致流道内水流条件复杂，出现影响水泵安全高效运行的不良水流现象。工程调查表明， 泵站前池和吸水室内常见的主要工程问题有【2 l ： ( 1 ) 前池内水流紊乱不稳定，主要原因是水流从引水渠进入前池后，由于断面的扩 大，流速减小，导致沿程压力增大、从而使水流在惯性力作用下产生绕流、偏流和脱流， 不仅增大了能量消耗而且恶化了水流条件，严重的会在吸水室内形成旋涡和吸气漏斗， 使水泵进l j 流速和压力分布不均，诱发水泵气蚀，引起机组和泵房振动，使泵站装置效 率降低，甚至无法工作【3 】o ( 2 ) 当水中含有大量泥沙时，由于在前池的主流两侧存在回流区，易造成泥沙沉积 在前池边坡和部分池底，而前池的清淤通常不大有效，因为清淤后很快又形成新的淤积。 当采用侧向进水布置形式时，池中流态尤为紊乱，问题尤为严重【4 】f 5 1 。 本文研究的重点是火核力发电厂循环水泵站进水流道水力特性，进水流道水力特性 关系到循环水泵运行的安全、经济问题，相比较其他泵站而言，电厂泵站对水泵稳定性 要求更高，从而要求吸水室内流态平稳、均匀。合理的吸水室设计，对于提高水泵运行 效率，延长水泵使用寿命，保证电厂安全满发以及节约工程造价都具有重大作用。 泵站进水流道水流运动研究的重点是如何保证吸水室内水流条件满足水泵安全高 效运行，至于对前池流态的研究目的则是探究水流经过前池进入吸水室内是否具有良好 流态。所以，往往将前池连同吸水室以及附属设施( 如闸门、滤网等) 等在内的整个进 水流道作为整体进行水力特性研究，如吸水室内进流不均导致偏流，则一般先在前池采 取整流等措施；如吸水室进流均匀但存在有害旋涡，则可考虑在吸水室内设置消涡装置， 如导流锥、消涡横梁等。 泵站吸水室内水流运动具有复杂的三维流动特点，其水流流态直接关系到水泵运行 效率、出水量和气蚀性能。影响吸水室中水流流态和水泵效率的因素除前池水流流态外， 还有吸水室的几何形状、吸水管在池中的相对位置以及水泵的类型等。而这些影响因素 具体体现在吸水室中有无进流旋涡及旋涡的强度 6 1 。因此，进流旋涡的产生、发展和消 除的条件一直是吸水室进水水力特性研究的重点。由于旋涡的生成与周围水流流态及边 2 第1 章绪论 界条件的关系相当复杂，迄今在预测其形成条件等方面所取得的研究成果尚未完伞成 熟。 鉴于泵站进水流道的吸水室中旋涡形成机理的复杂性，从理论上难以对旋涡的强度 及其影响做出定量分析，因而长期以来，采用水工模型试验来评价和预测不同条件下吸 水室中进水流态及其对水泵性能的影响，以优化泵站流道的设计。近年来，随着计算流 体力学和计算机技术的迅速发展，有学者( 如扬州大学刘超、成立、陆林广等) 尝试将 紊流模型和处理自由表面的v o f 方法应用于泵站吸水室的水流运动特性研究。数值计 算作为模型试验相辅相成的有效研究手段，在吸水室三维流场研究中逐渐得到应用和发 展忉。 1 2 1 物理模型试验研究 在许多泵站的建设与改造过程中【8 】，为获得良好的吸水室水流流态，常对进水流道 的布置形式、整流措施、防污防淤措施、运行方式等进行模型试验研究，以确定最优布 置方案。迄今为止，水工模型试验仍然是研究泵站进出水流道水力性能的主要手段【9 1 。 泵站进水流道的水工模型试验一般都采用几何正态相似，按照重力相似准则设计模 型。但由于受模型缩尺效应影响，泵房流道模型水流旋涡相似性无法完全满足，因此2 0 0 5 年日本涡轮机协会【l o l 制定的水泵进水流道试验标准提出“对于模型整体流态应该按照弗 洛德数( f r ) 相似准则设计模型：对于表面涡流，模型流速应采用几何比尺的0 2 次方， 即凡= 麓一；对于水内涡流，模型流速应该采用几何比尺的零次方，即五= 霍= 1 ，乃= 名0 的建议。而目前国内尚无此类试验的标准，通常水工模型涡流流态判断，一般采取加大 模型流量1 5 3 倍( 即1 5 - - 3 倍的乃数) 进行观察，以减小缩尺效应的影响。 范淑琴等i ll j 提出抽水泵站整体模型试验的概念，将水工模型试验与泵装置模型试验 相结合，推求了整体模型试验的相似准则，为利用泵装置效率评价整流效果提供了理论 依据。周济人等1 1 2 。4 1 针对侧向进水方式和多泵联合运行的复杂前池进水流态，通过试验 进一步验证了前池流态的模拟主要是对其最主要的作用力( 重力) 进行模拟，即以弗洛 德相似准则作为模型试验基础。 美国i o w a 大学p a t e l l l 5 ，1 6 1 在对水泵进口旋涡的实验研究中，采用传统的染色法显 示旋涡的发生，应用p i v 等先进量测技术捕获旋涡的数目、位置、形状、大小及强度等 信息，首次直观地再现并量化了旋涡的瞬时结构和时均结构细节，揭示出旋涡并非固定 的，而是游离的，且有一些是间歇性的。 3 泵站进水流道水力模拟与研究 在量测技术方面，利用流场显示技术揭示流体运动的内在规律一直是实验流体力学 的主要研究手段。近年来，流场显示定量测速技术得到了飞速发展，其中在三维紊流流 场研究中，应用较为广泛的是p i v 技术。 赵建钧等【1 7 1 使用p i v 技术对开放式吸水室复杂流场进行了流态显示，流速测量及水 中旋涡的特性分析，较为完整地得出了流场巾速度、流线和紊动能分布特性以及进水口 处的环量、涡量等重要流动参数。 李大亮采用三维p i v 技术进行泵站的外特性实验，得出了水泵的性能曲线，同时 绘制了测量区域三个视角流场的整体分布图，分析了测量区域流场的流动规律，并将测 试数据和己有的测量和计算结果进行比较，讨论了误差来源及减小误差的方法，从而证 实了采用三维p i v 技术对泵站吸水室内部流动进行试验研究是完全可行的。 近年来，泵站流道的水工模型试验在解决泵站前池、吸水室流态紊乱及泥沙淤积方 面发挥着重要作用。通过水工模型试验发现泵站前池流态紊乱现象一般可通过设置底 坎、立柱、导流墩等来消除或缓解。大量模型试验结果表明，此类整流措施的水力损失 较小1 9 l 。而污水泵站的泥沙淤积可通过设置导流板或垂直挡水板，分析模型试验结果发 现设置导流板或挡水板后前池底层流速加大且分布均匀，水泵效率提高，泥沙淤积范围 和厚度都有大程度下降陀0 1 。 水工模型试验在解决具体工程泵房流道问题方面提供了可靠的研究手段，但水工模 型试验在受到缩尺效应影响的同时，往往还需要花费大量的经费和时间，修改方案也极 不方便。 1 2 2 数值计算研究 随着数值计算方法和计算技术的发展，数值模拟方法已经越来越多地在解决工程问 题中发挥作用，在泵房流道水流计算方面也得到了较好地应用。 c o n s t a n t i n e s c u & p a t e l l a 5 , 2 1 1 在s o t i r o p o u l o s & p a t e l ( 1 9 9 2 ) 工作的基础上开发了泵站 流场及旋涡的三维数值计算计算软件，并在后续的工程应用中不断完善和验证。 c o n s t a n t i n e s c u & p a t e l 采用标准k 一占紊流模型对吸水室中出王见临界流时( 如表面涡或水 中涡) 的流场进行了数值计算，计算结果可显示出旋涡的大小和位置，其涡量的大小反 映出水中涡和表面涡的强度。同时，与p i v 水槽试验的结果相比，c o n s t a n t i n e s c u & p a t e l 数模所预测的旋涡位置、数量及结构与试验观测结果基本一致，但数模计算出的旋涡总 体上偏大、强度偏弱。另外还对不同紊流模型( k g 模型与k 一缈模型) 以及不同如数 4 第1 章绪论 水流流态进行了比较计算，表明所得到的旋涡结果没有明显差异：k s 模型与低r p 数 七一国模型预测结果接近；在有边壁糙率的情况下，旋涡强度减小，因而建议可采用人 - r _ 力n 糙的方法来减弱吸水室中的旋涡强度【2 。 t e t o k y a y 和c t s c o n s t a n t i n e s c u 比较了大涡模拟( l e s ) 和雷诺平均n s 方程方法 在吸水室水流旋涡结构模拟中的效果。r o b e r g e 、j e n n i f e r 和a n n e 用商用软件f i d a p 配 合p i v 量测分析了吸水室流场。l i s ，l a i y ，w e b e r , l ，s i l v a , j m 和p a t e l 验证了非结构 网格( u n s t r u c t u r e d 鲥d ) 求解器u 2 r a n s 的模拟效果。 在国内，也有许多学者开展了泵站吸水室水流运动数值计算研究。例如应用二维紊 流模型模拟泵站前池水流流态2 2 1 ，成立等口3 1 应用该方法对泵站前池进行数值模拟后，认 为二维紊流模型能较好地预测出底坎沿水流方向整流流场结构，并能较准确地计算坎后 水流漩长，他同时指出该方法的不足之处表现在，泵站前池水流流态( 特别是加设底坎 后的流动) 非常复杂，呈现出很强的三维性，因此需要采用三维紊流模型，考虑池边边 界的影响，对整个流动状况进行数值模拟。 周龙才、刘士和等f 2 4 】应用正交曲线坐标系下的二维水深平均数学模型进行数值模 拟时，为了准确地处理计算区域中不规则边界，使数值计算结果具有较高精度，采用正 交曲线拟合坐标系来模拟计算区域边界，在此基础上求解正交曲线坐标系下二维浅水方 程来获得水流水力要素。计算表明该数学模型在计算稳定性、收敛性和物质输移守恒性 等方面性能良好，能够满足工程应用要求。数值计算的流态分布合理，证明该数学模型 具有较强的预测能力。不足之处是由于前池内流动是三维的，采用水深平均模型简化为 二维流动后，计算出的流场只是深度平均流场不能反映流动参数的垂向变化。 近年来，泵站进水流道水流三维数值模拟应用日趋广泛。成立等【2 5 】等开展了水泵装 置整体数值模拟，对包括进水流道、泵段、出水流道在内的复杂泵装置水流流态进行了 三维水流数值计算，获得了泵装置内整体三维流动特性，并预测泵装置水力性能。 陆林广1 2 6 1 等采用数值计算方法研究流道水力优化设计，根据数值计算结果将泵站进 水流道分为单面进水和四面进水两种基本类型，从理论上对其作了比较系统的研究；从 求解三维雷诺平均的n s 方程和标准k 一占紊流模型入手，他们引入流速均匀度和水流 入泵平均角度两个目标函数，对开敞式吸水室进行了优化水力计算，得出了正向进水的 吸水室最优水力设计准则。 徐宇、吴玉林等【2 刀等基于雷诺平均的n s 方程和k 一占紊流模型，在具有交错网格 ( s t a g g e r e d 鲥d ) 系统的贴体坐标系中，采用s i m p l e c 算法计算泵站吸水室内的三维 5 泵站进水流道水力模拟与研究 紊流及涡流，得到了流速场和压力场的分布，并预测了涡旋发生的位置，这对研究和改 进水泵吸水室的结构、避免旋涡发生和提高水泵效率具有重要意义。 朱红耕f 2 8 1 采用三维紊流模型和非结构网格，模拟了双泵共用吸水室的流场，分析了 前池底坡和机组不对称运行工况对水泵进水条件的不利影响，计算了水泵吸水管内的涡 角，并利用模型试验结果验证了数值计算的可靠性和有效性。何耘【2 9 】也对双吸水管串 联布置的进水池水力特性进行了详细的研究，并对双泵间距提出了建议值。双泵共用进 水池对后面水泵的进水条件不利，在泵房流道设计巾应引起重视。 仅从数值计算的角度来看，雷诺平均n s 方程( r a n s ) 紊流模型能较好地模拟水 流平均运动特性，也基木上能反映自由水面的旋涡特性，不过在涡心和水泵吸水口附近 的紊动能预测上精度较差。但从实际应用的角度看，采用r a n s 紊流模型的c f d 模拟 能满足泵站进水流道流态模拟和流道体型优化的要求。 与水工模型试验相比，吸水室水流运动的数值计算具有花费少、周期短、信息完整、 形象直观、可直接对原型进行计算等优点。但鉴于复杂水流流态，数值模型上有许多应 用限制，例如模拟精度、阻力参数等，无法完全模拟水流流场，因此作为泵房流道研究 的手段之一，可以较好地辅助水工模型试验研究，减少试验方案比较工作，提高工作效 率，节省研究费用和时间。 1 3 研究意义及内容 合理的泵站进水流道布置和尺寸设计，对于提高水泵运行效率，延长水泵使用寿命， 以及节约工程造价具有重大意义。本文主要分析泵站进水流道不同水流条件对吸水室内 水流流态的影响，对多种整流措施共同作用下的复杂流态进行模型试验和数值计算，为 合理设计泵站进水流道，优化吸水室水流运动提供设计参考依据。并探索水流旋涡的三 维模拟与预测可能性。 本文结合印度a p l 电站工程循环水泵房进水流道，采用数学模型和物理模型试验 研究方法，论证电厂循环水系统流道水力特性，分析设计方案存在的问题，提出优化方 案，为电厂泵房安全运行提供依据。 本论文主要研究内容为： ( 1 ) 在分析流道水力特点的基础上，综合评述研究现状及存在的问题。 ( 2 ) 按照重力相似准则，设计流道模型，试验研究设计方案水力特性，结合设计方 案存在的问题，提出优化方案，比较整流措施的效果，保证优化方案水泵安全 6 第1 章绪论 稳定运行。 ( 3 ) 研究基于r n gk 一占紊流模型的泵站进水流道三维水流模型在模拟泵站进水流 道水流特性的适用性，进而优化研究电j 。进水流道水流特性。 ( 4 ) 比较分析两种方法成果的一致性，为今后工程应用打下一定的基础。 1 4 研究方法及技术路线 本文采用模型试验和数值计算相结合的研究方法。技术路线为：结合实际工程项目， 依靠模型试验的定性观察和定量测试的结果，探求前池结构对流道流态的影响。根据相 关文献资料和工程经验，确定进水流道结构的优化方案并进行该方案的试验，通过对比 优化前后的试验成果分析优化方案的合理性。 在数值计算中，先根据计算机硬件条件和时间限制，根据试算比较，选择合适的网 格尺寸、紊流模型和计算方法，并采用已有试验资料验证的模型的可靠性和合理性。之 后在此基础上进行本文计算的主体工作，即用已选择的模型和方法进行各工况下的进水 流道流场计算、分析，并和试验成果进行比较。 7 泵站进水流道水力模拟与研究 第2 章泵站流道水流运动特点及整流措施 2 1 前池水流运动特点 按进水方式不同分为正向进水前池和侧向进水前池。正向进水前池中前池来水方向 与前池方向一致，前池过水断面一般逐渐扩大。正向进水前池的主要特点是形状简单， 施工方便。在水泵较多的情况下，为保证池中有较好的流态，需要增加池长，从而导致 增加工程量。侧向迸水池的来水方向与出水方向正交或斜交。由于池中水流需改变方向， 故流速分布难以均匀，因此池中易形成回流和旋涡，从而影响水泵性能，但侧向前池占 地较少，工程投资较省。 而根据电站流道采用旋转滤网的不同类型，正向进水和侧向进水流道又分别可分为 滤网正面和滤网侧面布置型式。图2 1 为最常见的单元式多泵共用正向进水流道布置方 式，采用管道正向进水，旋转滤网也是正向布置。 正向进水前池和侧向进水前池内易出现的不良流态如图2 2 所示。 呈! 查璺萱鲨i堕查窒 ( b ) 平面布置 图2 1 典型进水流道布置 8 第2 章泵站流道水流运动特点及整流措掩 渠道 ( a ) 正向进水( b ) 侧向进水 图2 2 吸水室内的不良流态 正向进水前池一般水流平顺，如有不良流态，主要是在两侧边壁产生脱壁回流，但 在水泵非对称运行时，前池流态较差。正向进水前池流态的主要影响因素为前池扩散角 的大小。扩散水流的扩散能力可用扩散角o r 表示，它与前池进口断面的流速v 有很大关 系，v 越大则水流的固有扩散角口越小。当前池实际扩散角大于水流扩散角口时，前池 水流则会脱离边壁，出现回流和旋涡。正向进水前池不良流态示意图如图2 3 所示。 可见，在主流两侧有较大的回流区，进水池两侧有旋涡形成。由于水流来不及扩散， 水流直接冲击进水池后墙，然后折向两侧，引起侧边回流。由于中间主流流速大于侧边 回流流速，回流区的水位和压力大于主流区，在这种压差作用下，主流断面进一步压缩， 流速进一步增大，导致前池流态进一步恶化。前池的不良流态可影响到吸水室流态，使 吸水室内形成旋涡，影响水泵安全稳定运行。另外，不良前池流态还容易造成前池冲刷 和淤积。 么筌。一 一- - 一 弋 i ：回流区 广 ( b ) ( a ) 水流状态( b ) 断面i i 流速分布 图2 3 正向进水前池中的回流 2 2 吸水室水流运动特点 泵站吸水室是供水泵直接吸水的水工建筑物，其设计的合理与否直接影响到泵站的 9 泵站进水流道水力模拟与研究 运行效率和安全。一般设计规定1 3 0 j ：吸水室的布置应满足水流顺畅、流速均匀、不出现 吸气旋涡和漩流的要求，保证水泵有着良好的吸水条件。有研究表明，吸水室流态的主 要影响因素为：池体形状、尺寸及内部构造、行近水流条件、吸水管的设置位置等；流 态良好的吸水室对提高水泵运行效率十分重要，不良的流态往往伴随着旋涡，而旋涡又 是引发振动、气蚀和水泵效率降低的主要原因，严重时将导致泵站不能正常工作。 吸水室内水流具有复杂的三维流动特点，其流态对水泵效率、出水量和气蚀性能有 直接影响。影响吸水室中水流流态和水泵效率的因素除前池流态外，还与吸水室的几何 形状、水泵吸水管在池中的相对位置以及水泵的类型等条件有关。而这些影响因素具体 体现在吸水室中进流均匀性，和有无旋涡及其强度和分布。因此，进流旋涡的产生、发 展和消除的条件，吸水室内回流的影响一直是吸水室进水性能、水力观测和研究的重点。 2 2 1 旋涡现象 2 2 1 1 旋涡的分级描述 旋涡是水流的一个基本形态，又是紊流的一种基本结构。著名空气动力学家 k u c h e m a n n ( 1 9 6 5 ) 曾将旋涡在流动中所起的作用描述为“流体运动的肌腱”( t h es i n e w s a n dm u s c l e so f t h ef l u i dm o t i o n ) 。我国己故著名流体力学家陆士嘉教授说：“流体的本质 就是涡。因为流体经不起搓，一搓就搓出了涡。流体在运动过程中形成旋涡的内在原 因是粘性和压差。粘性使运动流体在相邻流层间产生内摩擦力，从而出现速度差，进而 在相邻流层问形成切应力力偶，促使其间流层质点的转动，形成旋涡运动。流体在运动 过程中由于各种原因会产生波动，波峰处流层的流束伸长，断面减小，流速增大；波谷 处流层的流束缩短，断面增大，流速减小。按照伯努利原理，流速大的区域压力小，而 流速小的区域压力大，从而在峰谷见产生压力差，形成压差力偶，促使其间流体质点的 转动并诱发旋涡形成【3 l 】。 吸水室水流出现的旋涡，一般可分为自由表面涡和水中涡两种。旋涡的分级、形态 及其危害见表2 1 。i i i 型近于无旋涡，不会引起危害，允许存在；i i i - i v 型为弱旋涡， 对水泵可能会产生一定作用，危害一般不太严重，宜考虑防止出现；v 一型属于强旋 涡，可能引起较严重的后果，工程中通常不允许出现。水内旋涡因一端大多附着于固壁 又称附壁涡，其中心可能产生气核。若气带通过立式混流泵或轴流泵的叶轮时，将会产 生不规则的振动和噪音。有研究认为，对于湿式泵房水泵吸水u 附近出现的水内涡，有 可能产生比自由表面旋涡更为有害的作用【3 2 1 。 1 0 回g 媾掣胬锹 埤* 膝 曲 嘲 斗媸餐匡霸 罂曩 七蜊g餐r 出 霸 幔 餐基 i 如r 翌皿 蓠 鋈萋 埋温幽 进口墨 龊删 仲 冀蠢 口馨辞 审k 古 叩口 嫂 岳蜊垛 襞 芎 l 窭隧* 辑堂 黼掣 摧螂氆苫k 砂永 掣嫂捌熙箍 1 l i l 她披 扩熙* 趟 螽要螺嚣 黼苌聪 趔意 蛊示回陡 圃* 赠幢 窖g螫器一扩蟹煺墨 匣睬长。崩 科，骧l 五| 坦趔掣0 辩葚咖 臀n 斗 媾盛辎摧制斗 蜷忸s 廷 旷 弋= 扭 忙 赠 漫扩妒茁驰g k l 州州卜 咚 磐 矧 斌k旷* 礤 1 哩 擐 国 o 嚓稍 整州1镫 忙赆目k鞍长 褥 、 辎 g四棣根掣整螫一 _ _ 噻 喂 黑 - 一 * 照 凸r 旧 粼 * 樊蠖疑求嘿堪n琳 耀靶曙潮隧蜷臀蚓媾*捌鳃橱燃料n拣 泵站进水流道水力模拟与研究 2 2 1 2 旋涡的影响因素 一 影响吸水室旋涡形成与发展的因素较多，d u r g i n & h e c k e r ( 1 9 7 8 ) 认为在如下三种 二 情况下将会诱发旋涡：( 1 ) 进水池、吸水室或引水渠的方向和位置设置不当，引起不均 = - - _ ，_ _ _ _ - _ o - _ - _ - 匀的行进水流；( 2 ) 存在流速梯度较大的剪切流；( 3 ) 沿行近水流设置的几何体或障碍 物引起的旋转尾流。 l e w e l l e n ( 1 9 6 2 ) 将吸水室内旋涡的影响因素简化为以下几个量纲为l 的参数3 2 】： 淹没深度弗洛德数= 赤，环量数厂= 詈，径向雷诺数r = 擘v h ， 0g n q 相对淹没深度皂，w e b b e r 数耽：v 2 p d 。 1 3仃 式中，v 为吸水口流速； h 为吸水口淹没深度； d 为进水口直径； 厂为速度环量，厂= 2 ，r r v , ，k 为旋涡切向流速，为旋涡半径； q 为吸水口流量； y 为动力粘性系数； p 为流体密度； 仃为单位长度的表面张力。 a n w a r 等【3 3 1 对水平吸水口周围产生的突发旋涡进行了模拟研究，建立了相应的函数 关系式： c = 厂( r ，五h ，_ ，b ，耽) c 2 m 式中， c 表示流量系数，c ：? 髦一； 尢d z 4 2 9 h b 为吸水口离地面间距； d 为吸水管直径。 当吸水口雷诺数r p 3 1 0 4 、韦伯数w e 1 0 4 时，流体的表面张力和粘滞力已不能 影响旋涡的流态，对于位置确定的进水口而言，旋涡的形成主要取决于速度环量厂、吸 1 2 第2 章泵站流道水流运动特点及整流措施 水口流量q 和进水口淹没深度“即与量纲为l 的参数r 、乃和去有关。 雷诺数r e 反映流体粘性的影响，当其超过某一临界值时，粘性作用就可忽略不计。 如a n w a r 等提出的j i c 界值为3 x 1 0 4 。d a g g e t t 、k e u l e g a n 、j a i n 等口4 1 p 5 1p q 研究认 为，当w e 1 0 4 时，表面张力对旋涡的影响甚微。实际工程中，、w e 一般都大于临 界值，只有在相应的水力模型试验和基本理论研究中才会考虑旋涡特性与r e r 、w e 的关 系。 在环量较大的情况下，用染色水能观察到水内涡中心可能形成明显的涡核或气核。 p a d m a n a b h a n & h e c k e r 3 7 l 鲁试验得出水内涡出现的临界行近水流r e 数约为3 1 0 4 。 可以归纳为，影响旋涡形成的量纲为1 的参数为：重力参数( f r ) 、粘滞性参数( r e ) 、 表面张力参数( 耽) 、环量参数( m ) 、吸水口相对淹没深度( 石h ) 及边界条件( 形状 与糙率等) 。实际工程中，一般r e 凡、w e 都足够大，粘性与表面张力对旋涡运动的影响 很小，可以忽略；环量参数r 只有i n i 童_ 模型试验才能量测出来，很难事先预知其值。 因此，具有重要作用并能用数值明确表达的参数为乃与去。并且，不同乃条件下，起 始发生旋涡的临界相对淹没深度( 虽) 。一直是吸水室结构设计的一个关键值。 2 2 1 3 旋涡的防控 鉴于吸水室内旋涡形成机理的复杂性，难以对旋涡的强度及其影响做出定量分析， 长期以来，通常采用水力模型实验来评价和预测不同条件下进水池中的进水流态及其对 水泵性能的影响，优化水泵进水池的设计【3 8 l 。 表面涡的防控主要有三种方法：( 1 ) 增加水泵吸水u 的淹没深度h ；( 2 ) 消除行近 水流的不均匀性( 导流或配水装置) ；( 3 ) 加设有效的消涡设施( 如栅条、防涡梁等) 。 水内涡的主要控制途径是尽量消除水流中存在的较大流速梯度，避免吸水室中出现 水流分离现象。可采取的相应措施有：( 1 ) 吸水室在几何构造上应避免水流突然转向； ( 2 ) 保证吸水口与边壁、底壁有适当的间距；( 3 ) 在水泵吸水口下安装底面锥体、分 流器或边壁嵌条等人工装置，以消除或减弱吸水口附近的旋涡【3 钔。 吸水室流态改善应达到三个目的：( 1 ) 吸水室内流态平稳，回流区和死水区范围应 1 3 泵站进水流道水力模拟与研究 尽量减少，且强度要尽量减弱。( 2 ) 各吸水室进口处的流速平面分布应尽量均匀。( 3 ) 消除吸水室进口处旋涡形成的条件。 2 2 2 回流现象 当前池或吸水室设计不合理时，在池中平面或立面可能会出现围绕水泵( 或进水管) 的回流( 又称管外环流) ，如图2 4 所示，( a ) 池中流速分布均匀，水泵周围无回流。( b ) 、 ( c ) e h 于进水条件较差，在池中产生回流，但田l 流方向不同。这种回流虽不会将空气带入 水泵，但对水泵( 特别是直接从吸水室直接吸水的立式轴流泵和导叶式混流泵) 运行性 能有较大影响。 当吸水室内水流存在大范围的旋转，水流收缩进入吸水口时，旋转强度被放大，从 而形成漩流，即使没有可见的表面旋涡，漩流也可能伴随着个快速旋转的核心。严重 的漩流可认为是水内涡，当旋转的中心与水泵中心线重合时，会引起附加影响：漩流旋 转方向与水泵叶轮转动方向相同则会降低水泵性能，相反则会提高水泵性能从而可能导 致电机过载。 2 3 整流措施 ( a ) 乍兮 夕( = ( b ) ( c