（水力学及河流动力学专业论文）船坞排水泵站进水系统水力特性研究.pdf

彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 摘要 船坞排水泵站作为修、造船厂的重要附属设施，提高其运行水力特性有重要 的现实意义。本文研究以某拟建船坞泵站为工程背景，以大型计算流体力学软件 ( f l u e n t ) 为平台，运用三维紊流模拟技术，辅以实验观测，按照先部分后整体逐 步深入的研究思路，对涉及影响泵站水力性能的进水系统进行研究。 典型船坞排水泵站的进水系统，包括前池、流道、喇叭管等过流部件。本文 主要对涵箱式双向进水流道进行了数值模拟。在原设计方案的基础上，对不同流 量下进水流道的流态进行了分析；利用流速分布均匀度和加权平均角度这两个目 标函数对流道高度、宽度以及喇叭口悬空高度等基本尺寸进行优化计算，并提出 改进措施；为了消除喇叭口下方的附底涡，采用了加横向隔涡板的方案，运用目 标函数对隔涡板的高度进行了优化模拟，数值计算及模型试验均显示横向隔涡板 是一种有效的消涡、防涡方法。 船坞排水泵站的前池是衔接船坞和流道的建筑物，其主要作用是为进水流道 提供良好的进水流态。有别于一般前池的进水方式，船坞泵站前池是周向进水， 为了与实际方式接近，本文采用了半圆柱面的进水方式进行了数值模拟。分析了 中、底水位。带格栅与不带格栅等运行工况下前池内部的流态，并用流速均匀度 目标函数对前池出e l 断面进行了定量分析。 为了排空船坞内的水，船坞排水泵站在运行过程中要开启不同台数的机组。 本文运用数值模拟，对进水系统进行了整体模拟；对较低水位、不同开机组合工 况进行流场分析。 为了进一步研究船坞排水泵站进水系统的内部流态，并对部分计算结果进行 对比分析，进行模型试验研究。 关键词：船坞排水泵站；流态；前池：双向进水流道；数值模拟；模型试验 i i 扬州大学硕士学位论文 a b s t r a c t i t i si m p o r t a n tt oi m p r o v et h er u n n i n gp e r f o r m a n c eo fd o c kd r a i n a g ep u m p i n g s t a t i o n , w h i c hi st h eb a s i l i c ao u t b u i l d i n go ft h eb o a t y a r do rd o c k y a r d b a s e do nt h e b a c k g r o l l i l df o rt h ed o c kd r a i n a g ep u m p i n gs t a t i o n ，w h i c hw i l lb eb u i l t ，t h i sp a p e r s y s t e m i c a l l ys t u d i e d o ni n l e t s y s t e mw h i c h i n f l u e n t st h eh y d r a u l i cp e r f o r m a n c e ， a d o p t i n g3 d - t u r b u l e n c en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e c h n i q u ea n dt h em o d e le x p e r i m e n t a t i o n f r o mp a r i st oi n t e g e r , at y p i c a li n l e ts y s t e mo ft h ed o c kd r a i n a g ep u m p i n gs t a t i o ni n c l u d e st h ef o r e b a y , c o n d u i ta n dt h es u c t i o nb o xe t e t h i sp a p e rs t u d i e dt h ed u a l d i r e c t i o n a li n l e tp a s s a g e s m o s t l y i nt h eo r i g i n a ld e s i g nb a s i s ，t oa n a l y s et h ef l o wp a t t e r na b o u td i f f e r e n ti n l e tf l o w r a t e f o rt h eb a s i cd i m e n s i o n so ft h ec o n d u i t ，w h i c hi n c l u d e st h ew i d t ha n dt h eh e i g h t a n ds oo n t h i sp a p e ro p t i m i z e dt h e s ed i m e n s i o n sb yt h eo b j e c tf i m c t i o n sa b o u tt h e u n i f o r m i t i e so f v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n sa n dt h ew e i g h t e da v e r a g ea n g l eo f t h ep r o f i l e t h e i n n e rf l o wp a t t e ma n dv a r i o u st y p e so fv o r t i c e si nt h er e v e r s i b l ei n t a k ep a s s a g ew i t h t r a n s v e r s ec l a p b o a r da n dw i t h o u tt r a n s v e r s e c l a p b o a r da r ep r e d i c t e d ag e n e r a l c o n c l u s i o ni st h a t w i t h o u tc l a p b o a r dt h e r ei sf l o o rv o r t e xu n d e rp u m ps u c t i o n ；w i t h c l a p b o a r dt h e r ei sf e wf l o o rv o r t e x t h ev e l o c i t yd i s t r i b u t i o na tp u m ps u c t i o nw i t h c l a p b o a r di sb e t t e rt h a nw i t h o u tc l a p b o a r d p u m p i n gs t a t i o nf o r b a yi sa ni m p o r t a n tp a r to fp u m p i n gs t a t i o n , a n dt h eh y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i co f t h ep u m p i n gs t a t i o nf b r b a yh a sad i r e c ti n f l u e n c eo nt h ee f f i c i e n c yo f a p u m p d i f f e r e n to fo t h e rf o r b a y s ，t h ef o r b a yo ft h ed o c kp u m p i n gs t a t i o nh a v ea c y l i n d r i c a li n f a l l t h i sp a p e ra n a l y z e dt h ei n n e rf l o wp a t t e r no ft h ef o r b a yw i t h r e c t i f y i n gb a ra n dw i t h o u tr e c t i f y i n gb a ru n d e rd i f f e r e n td e p t ha n df l u x d u r i n gt h eo p e r a t i o no ft h ep u m p i n gs t a t i o nu n i t s ，i ti sp o s s i b l et h a th a v eo n e o r m o r eu n i t sa l ew o r k i n g t h i sp a p e rs i m u l a t e dt h ea l li n t a k es y s t e m ，u n d e rt h es i t u a t i o n o fm u l t i w o r k i n gs t a t eo fu n i t s ，a n a l y z e dt h ei n n e rf l o wp a t t e ma n dc o m p a r e db e t w e e n t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h em o d e le x p e r i m e n t a t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sf e a s i b l e 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 i i i k e ) 啊o r d s ：d o c kd r a i n a g ep u m p i n gs t a t i o n , f l o w p a r e r ,f o r b a y , d u a l d i r e c t i o n a li n l e tp a s s a g e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m o d e le x p e r i m e n t a t i o n 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 符号说明 符号物理意义 p流体密度 x l x i 坐标系坐标轴 “j雷诺时均切速度 p压力 p 嚼 有效粘性系数 分子粘性系数 鸬b o u s s i n e s q 涡团粘性系数 七湍动能 s耗散率 p 湍动能生成项 c # ，c n ，c n ，o l ，o 湍流模型常数 s源项 通用变量 1 1扩散系数 口控制方程离散系数 ：距离 绝对租糙度 r卡门常数 扬州大学硕士学位论文 符号物理意义 ”n近壁流速 k p 近壁湍动能 疗弗劳德数 yp近壁面距离 g单宽流量 e粗糙系数 f m壁面摩阻 驴侉 壁面剪切应力 “d 平均轴向速度 “口f轴向速度 m断面单元个数 圪流速分布均匀度 口 加权平均角度 “断面单元横向速度 d泵叶轮直径 b 双向进水流道宽度 l进水流道长度 h进水流道高度 q单泵流量 喇叭口悬空高度 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 第一章绪论 随着我国经济和社会的发展，海上运输业有了长足的进步，上海、福建、青 岛、天津等地的修、造船基地的数目在逐年增加，规模趋于大型化。3 0 万吨级以 上的大型船坞已不鲜见，天津新沽船厂计划建造的5 0 万吨级的船坞将是中国最大 吨位的船坞之一。 船坞吨位的增大对排水设施提出了更高的要求，船坞排水泵站作为主要的组 成部分，其安全、高效运行日益受到重视。 一座典型的泵站包括迸水工程设施、出水工程设施、泵房、水泵机组、辅助 设备等。而进水工程设施又由进水配套建筑物、引( 排) 水渠( 沟) 、前池、进水池( 集 水室) ，进水管装置等组成，其合理的水力设计可以为水泵提供良好的进水条件， 对改善水泵装置的能量性能和汽蚀性能有很大影响。而泵站因其具体功能不同， 布置方式也有所不同。船坞排水泵站的作用是在尽量短的时间内排除坞内的水， 其主要特点是运行扬程变化大，双向进水，进水流态较差，安全运行要求高。 本文以某拟建船坞泵站为工程背景，以大型计算流体力学软件( f l u e n t ) 为平 台，运用三维紊流模拟技术，辅以实验观测，按照先部分后整体逐步深入的研究 思路，对涉及影响船坞泵站水力性能的进水流态进行研究，揭示其内部流动规律， 并采取相应措施，改善进水流态。为泵站高效、安全运行提供必要的依据，其研 究成果将对船坞泵站的设计和运行具有一定的指导意义和参考价值。 1 1 船坞排水泵站进水系统的特点 各修造船基地为节省投资多采取两座船坞合用一座泵房，泵房位于两坞之间， 主泵进水采用贯通流道双向配水、喇叭口进水方式。船坞泵房与前池合建，前池 的底标高与主泵进水流道底相平。 因船坞内容易遗留一些杂物，不进行处理将会被吸进泵体，严重时会缠绕或 卡住叶轮，造成水泵不能正常运行，从而影响船坞的正常运行。所以船坞排水泵 4 扬州大学硕士学位论文 站进水系统常设置防污措施，一般在前池顶部设有刚性格栅盖板。 一般来说，前池作为引渠与迸水池的衔接段，其作用是将水流平顺均匀的输 送给进水池，为水泵提供良好的吸水条件。泵站布置形式按照进水方式不同可分 为正向进水和侧向进水两种。而船坞泵站没有引渠的，其前池联接着船坞和进水 沲，水从坞底汇集到泡内，易形成回流、漩涡等不良流态从而降低水泵运行效率， 因此为改善进水条件一般在进水流道进口处设整流栅。 1 ，2 泵站进水系统水力特性与整流防涡技术研究进展 随着科学技术的进步，水力学理论和计算方法及手段均发生了很大的变化。现 代水力学是古典水力学与流体力学理论相结合，并在计算技术和新型测量技术的 基础上发展起来的。理论研究、试验研究和数值模拟计算已成为现代水力学的三 大基本研究手段。它们之间并不是相互独立的，而是相辅相成、相互印证共同发 展的辨证关系：理论的正确与否要靠试验来验证。试验又反过来促进理论的发展， 数值模拟是通过计算机把理论以可视化的方式展现出来，理论方面的突破又为数 学模型的建立提供基础。长期以来，复杂紊流场的研究均以物理模型试验为主要 手段。物理模型试验不仅费时耗物，而且受比尺效应的影响，不能全面地反映真 实的流动特性。相比之下，数值模拟具有花费少、适应能力强、提供流场资料详 细、速度快、便于进行多方案的比较优选等优点，因而愈来愈受到人们的重视。 在排灌、城市给排水、工业给水泵站进水系统水力特性与整漉防涡技术研究方匦， 前人利用数值模拟结合模型试验进行了不少研究，取得了较多可供工程应用的研 究成果。 1 2 1 理论研究 水利工程中的绝大多数流动现象都属于紊流，紊流作为一种即典型又广泛存在 的复杂流动，其非线性规律有超越力学范围的普遍性。紊流是有大大小小不同尺 度的漩涡组成，漩涡尺度的量级差别很大。最大漩涡尺度的量级可达数公里，而 最小漩涡尺度不过几毫米，但不同尺度的漩涡在结构上往往具有自相似性。水利 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 5 工程中的水流基本上都属于紊流。研究紊流特性，可简要归纳为以下几类问题： 第一，边壁剪切流；第二，漩涡与分离流；第三，分离再附流动；第四，流动稳 定性问题。 田家山【l l 等在泵站整体模型试验的基础上系统地研究了前池水流运动，成功地 在国内大中型泵站前池中设置底坎改善了流态，并提出了设计底坎的经验公式。 徐辉【2 】从流体动力学基本方程出发分析了泵站进水流态对水泵工作性能的影响。不 良的进水流态是指在进水系统中产生环流、漩涡或螺旋流，不良的进水流态，会 使流速、涡量、环量变化加剧，进入进水流道的水体具有一定的旋转动量，在水 泵进口不可能满足均匀压强和均匀流速场的条件，势必影响水泵的工作性能。 1 2 2 模型试验研究 a n w a r & a m p h l e t t ( 1 9 8 2 ) 、j a i n 等( 1 9 7 8 ) 、d a g g e t t & k e u l e g a n ( 1 9 7 4 ) 等指出，迸 水口旋涡模拟的相似条件除几何相似要求外，模型的f r 、r e 、w e 要求与原体中相 应值一致，这在实验中无法同时实现。由于这种具有自由水面的水流运动，不论 有无旋涡，其主要作用力是重力，模型首先要符合重力相似，即满足f r 相似准则； 当模型较小，粘滞力与表面张力作用较大时，则可能存在模型会低估旋涡生成的 可能性和比尺效应等问题。 为克服这些问题，可采用以下三种方法 4 1 ：( 1 ) 加大模型( 模型比尺不应大于 l r = 2 0 ) ，使模型r e 、w e 数大于一定的临界值；( 2 ) 允许存在一定的粘滞力影响， 需增加一个修正系数；( 3 ) 提高模型运行水温来增大模型中r e 数。 另一个消除缩尺影响的观点是加大模型流速，即将模型流速增加到比f r 准则 所要求的更大一些，而水深值不变；这实际上是为了加大模型的r e 和w e 值，从 而减少粘滞力与表面张力影响，放弃了f r 准则。对一些缩尺大、尺寸小的模型而 言，这个方法可能有一定效果，但流速究竟应该增大多少才合适，至今尚无定论， 有人建议采用( 2 3 ) 倍f r 数的流速：最大的是d e n n y ( 1 9 5 6 ) 和d e n n y & y o u n g ( 1 9 5 7 ) 提出的等流速准则( 即模型流速与原型流速相同) 。但流速过分加大，将加剧池内波 浪运动与水流紊动，反而会夸大旋涡形成的趋势，也可能导致模拟失真【4 1 。 6 扬州大学硕士学位论文 日本机械工程师协会标准( j s m e ) 【5 】建议：对于空气吸入涡的相似条件选用f r 准则和等流速之间的一个中间流速，即流速比尺：以= 口2 ( l r 为几何比尺) ，流 量比尺q = e2 ；水中涡发生时的相似条件参考等流速的方法( v r = l ，q ，= e ) 。 p a d m a n a b h a n ( 1 9 8 4 ) 在研究核电站冷却水取水口时，进行了原型观测与两个缩 尺模型( 几何比尺分别l r = 2 及4 ) 实验的对比工作，认为四：( 1 ) 模型中r e 1 5 1 0 4 ， w e 6 0 0 时，按照f r 相似准则模拟自由表面旋涡，没有发现明显的缩尺效应；( 2 ) 当行近水流雷诺数低于3 1 0 4 时，吸水管内的旋流则存在一定缩尺影响；( 3 ) 模型 r e l 1 0 5 时，模型与原体的进水口阻力损失情况同；( 4 ) 就旋涡而言，缩尺模型 中没有表现出缩尺效应，因而实验中无需采用高于f r 准则的流速比尺进行测试p j 。 各家学者根据不同实验或原型调研资料提出了一些相应的模型流速或流量 的比尺要求，认识并不完全统一，相似效果亦随模拟对象而异。目前，较为通用 的办法是：模型几何正态，按f r 准则设计，用粘滞力与表面张力相似条件加以校 核，并在试验过程中适当增加流量( 流速) 作为补充观察。 现代流体量测技术的发展极大地促进了实验水力学的发展，目前流场测试的 手段除了毕托球、五孔探针等传统测试手段外，激光流速仪( l d v ) 、粒子图象测速 技术( p i v ) 、多普勒超声速流速仪( a d v ) 以及动态信号分析仪等高端测量技术的出 现，使从前无法获得的流场信息得以充分展现，如流速场及脉动流速、脉动压强 等【9 】。 1 2 。3 数值模拟磅究 2 0 世纪6 0 年代以来计算机技术的迅速发展为整个科学技术的进步提供了强 有力的工具，计算机与数值分析方法的结合使科学技术的发展如虎添翼，水力学 也不例外。 作为水力学研究的手段之一，数值模拟具有以下优点：费用低廉，而且随 着计算机技术的飞速进步，这一优点越来越突出：省时高效；可实现对多种 复杂物理条件下流场的真实和全域的模拟；也可实现理想状态下的模拟，比如 可以将某一现象单独隔离开来进行研究；与物理模型试验只能针对某些点进行 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 7 量测相比，数值模拟所提供的信息量大而丰富。 在以往的研究中，通过类比、假设以及忽略某些次要因素，多采用一维或二 维数学模型模拟真实流体，并在实际应用中取得了一定的效果。随着工程技术要 求的不断提高，迫切需要发展更接近于实际情况的三维流体数值模拟方法。目前， 三维流体计算已经取得了一定的进展，在紊流数值模拟方面，三维大涡模拟方法 进入了实用阶段，但要在微机上实现仍然存在相当的难度。直接模拟成为紊流结 构理论研究的重要工具。精度较好的紊流模式研究会持续发展，如实用的r e y n o l d s 应力模型与r n g 重整化群模型。在数值格式改进上，无振荡类格式，如基于限制 器的m u s c l 、t v d 与e n o 等将会在c f d 应用中作为新一代格式而取代传统格 式。在不致过多的增加复杂度的前提下高精度无振荡格式应受到更多的重视。在 迭代技术上，f f t 与多级网格法的结合、各种特色的p c g 方法以及各种大型稀疏 矩阵技术会得到更多发展。近些年技术产品商品化有了较大发展，出现了如c f x 、 f l u e n t 、d i d a p 、p h o e n i c s 、s t a r - c d 、d e l f t 3 d 等商业软件1 6 , 7 , 8 。 1 2 4 泵站前池流态研究 有引渠的工程，为保证水流在从引渠向进水池能平顺地扩散，为进水池提供 良好的进水条件，必须在进水池前建一连接物，即前池【1 0 1 。泵站布置形式按照进 水方式不同可分为正向进水和侧向进水两种。正向进水如设计不当，会引起前池 内产生回流等不良流态。侧向进水时，易引起主流脱壁，漩涡及螺旋流动等现象， 甚至引起流道进口产生漩涡。由于不良的水力设计引起的泵站前池内出现漩涡和 回流等不良流态，会直接影响水泵正常运行，降低其装置效率。现场实测和模型 试验研究均表明，泵站前池的流态直接影响水泵的正常运行，不良流态可降低泵 站效率3 7 ，因而研究泵站前池流态对于提高泵站效率有重要意义 h a 2 。 国内外研究人员对泵站前池流态开展了大量的研究工作【1 3 7 】。改善流态的措 施： 1 0 a 3 】为改善前池水流条件，可在池中增设隔墩或导流栅。加设隔墩，可改变 池中水流方向、减小前池的扩散角，这样不仅可以避免回流、偏流，且可缩短池 长；同时，加隔墩后，减少了前池有效过水断面面积，增大了池中流速，可在一 8 扬州i 大学硕士学位论文 定程度上减少泥沙淤积，导流栅一般设置于侧向进水前池中：国外也有利用蜗流 理论，在池中设置底坎或立柱，从而解决前池回流及漩涡；还有一秘为压水板， 该措施即可以改善流态，又能部分解决城市前池淤积问题。徐辉【1 2 】通过整体模型 试验在进水流道口上部设置圆弧形隔墙较好地防止了雨水泵问的回流和漩涡。刘 成，何耘等【1 4 l 对城市污水泵站采用压水板后明显改善了前池的流态，提高水泵机 组效率，并同时降低了淤积。麦永华【i 卸在水力模型试验的基础上，确定整流墩的 布置形式，运行证明效果显著，大大改善了进水池的流态，更好地保证了泵组的 使用效率和供水的正常运行。周济人、刘超、成立、汤方平等【1 们0 1 通过数值模拟 计算并通过模型试验加以验证在前池内设置底坎和立柱，取得了良好的整流效果， 这种整流措施不但结构简单、施工方便、造价经济，而且效果也很好。 从研究手段和方法来看，对泵站前池进水流态的研究主要是通过试验观测和 原型观测，了解流场分布和宏观水流现象。p i v 、l d v 、p d a 、a d v 等现代测试 技术使得对流场分布的研究更加细化。随着计算机硬件及计算技术的发展，数值 模拟得以越来越多的应用于工程研究。 1 2 5 进水流道流态研究 大、中型泵站常用进水流道有开敞式流道、斜式流道、肘形流道、钟型流道、 簸箕形流道以及方箱式双向流道等各种型式。成立口8 1 在数值计算的基础上，根据 进水方式不同，把进水流道分为喇叭管进水和肘形弯管进水两种型式；陆林广 2 9 1 从流体动力学的角度，将进水流道分为单面进水和四厦进水两种基本类型。进水 流道的作用是将泵站前池的水流引入水泵叶轮室，使水流在进水流道内更好地完 成加速和转向。一般要求进水流道能为水泵叶轮室进口提供均匀流场，并要求流 道本身的水力损失也尽可能小。因此进水流道内的水流运动状况直接影鸭水泵的 进水工作条件，对水泵能否可靠运行有直接的影响。 早期泵站进水流道的设计采用的方法为基于一维流动理论的设计方法，即流 道内各过水断面平均流速均匀化。随着人们对泵站流道水力设计问题认识的不断 深入，随着计算机技术和计算流体动力学的迅速发展，以三维流动理论为基础的 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 9 进水流道优化水力设计的方法得到越来越多的应用。陆林广【3 0 j 1 1 指出了传统设计 方法不足，并在数值计算的基础上，提出进水流道水力设计的进口速度均匀度和 速度加权平均角度两个优化目标函数。 双向流道是我国独创的一种进水流道型式1 4 9 】，其特点是结构简单，运行可靠， 且可大幅度节省工程投资【4 3 1 。但这种型式的流道也存在进水流道内易产生涡带和 泵站装置效率偏低等问题【加1 。原形观测和模型试验表明，双向进水流道泵站运行 时，一端进水，另一端封闭，封闭端形成一个死水区。死水区的水平和垂直方向 都有回流产生，有时在水泵喇叭口下诱发涡带，涡带进入水泵叶轮后，容易使机 组产生振动，严重时会对水泵造成破坏而不能运行【4 5 】。 为了改善流道内的流态，国内外学者做了大量研究l 擤弓s 】。有关进水流道涡带 的模型试验过去都是在水泵装置中进行的【3 4 j 5 , 4 5 , 5 4 , 5 钔，其原因是可以同时进行水 泵装置的性能试验，另一方面，也是习惯性地认为进水流道内的流动受到水泵的 影响，有关进水流道涡带的模型一般都要带上模型泵及出水流道。实际上，在低 扬程轴流泵装置中，水泵转轮的运动对位于其上游的进水流道内的流动所能产生 的影响微乎其微。从理论上讲，如果只是为了研究进水流道内的流态、而不是为 了测试水泵装置的性能，模型试验装置可以不带模型泵，只需几何相似及流量模 拟即可。为了验证这一设想，陆林广【3 7 】设计了一个进水流道模型试验装置，除可 用于测试进水流道的水力损失外，还可对流道内部的流态进行较为全面的观察研 究。结果表明不带模型泵对迸水流道内部流态进行模型试验的方法具有费用少、 周期短和便于观察、录像等优点，所得试验结果与水泵装置模型试验的结果一致。 周济仁口9 】研究了涵箱式双向进水流道内的涡带发生规律及有效的消涡防涡措施， 对影响工程投资及装置性能的主要尺寸如悬空高，流道宽度及吸水喇叭管进行了 试验研究，指出流道尺寸在常规取值范围内对装置效率的影响较小，进水流道的 主要问题是涡带。陈松山，王林锁掣3 5 , 4 7 , 5 0 探讨了平面蜗壳双向进水流道的主要控 制参数拟定原则及合理范围，给出了蜗壳型线设计数学模型。采用数值模拟的方 法研究进水流道内部流动状况已成为趋势。陆林广1 2 9 】开展了进水流道的三维紊流 计算，对进水流道进行了分类。李维斌【5 ”，成立【4 9 】，张仁田m ，郭绍艾【4 3 】，陆林 l o 扬州大学硕士学位论文 f - 3 0 a 2 】等利用流速分布均匀度和速度加权平均角度的目标函数对涵箱式双向进水 流道进行流态及尺寸优化研究，获褥了有价值的成果。 1 3 本文的主要研究内容和技术路线 船坞排水泵站进水系统在各种运行工况时会出现复杂的流态，本文研究以某 拟建船坞泵站为工程背景，以大型计算流体力学软件( f l u e n t ) 为平台，运用三维 紊流模拟技术，并辅以实验观测，按照先部分后整体逐步深入的研究思路。对涉 及影响泵站水力性能的进水系统进行研究。研究内容如下： ( 1 ) 单侧进水流道长度不变的前提下，对进水流道的宽度、高度以及喇叭1 ：3 悬空高度进行优化分析提出合理的改进意见。 ( 2 ) 对主泵贯通流道双向配水单侧进水运行工况在不同流量下进行流态分 析，对横向隔涡板的具体形式进行数值模拟研究。 ( 3 ) 对前池典型运行工况进行内部流态分析，并对带格栅和不带格栅的前池 流态进行对比分析。 ( 4 ) 主泵在单台、二台及三台工作时泵站前池、流道内部流态分析，针对不 良流态，提出改进措施，并提出其它相关的优化改进措施及运行建议。 ( 5 ) 对于不同流量及开机组合进行模型实验观测，分析整流栅、横向隔涡板 的整流效果并与部分数值模拟结果进行对比分析。 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 1 1 第二章紊流模型理论与数值计算方法 2 1 紊流模型理论概述 对紊流的研究至今已有1 0 0 多年了，1 8 8 3 年r e y n o l d s 推出n a v i e r - s t o k e s 方 程的时均方程( 雷诺方程) r 6 1 ，1 9 2 1 年t a y l o r 引入相关量的概念，1 9 3 6 年提出各态历 经假谢5 9 1 ，为现代紊流研究创立了理论基础，标志着现代紊流研究的开端。在2 0 世纪6 0 年代后期和7 0 年代剪切流中拟序结构的发现、素流直接数值模拟的尝试 以及混沌、分叉、奇怪吸引子等现象的探索都是近年来紊流研究的重大突破。当 代紊流研究可分为统计学派和结构学派 6 0 , 6 1 】。 统计学派认为，紊流可以看成是不同尺度的涡旋叠合而成的运动，这些涡旋 的大小及旋转方向是随机分布的。大尺度的涡旋主要由流体的边界条件所决定， 其尺寸可以与流场的大小相比拟，是引起流体运动参数低频脉动的主要原因；小 尺度的漩涡主要由黏性力所决定，其尺寸可能只有流场尺寸千万分之一甚至更小 的量级，是引起流动参数高频脉动的原因。大尺度的涡旋不断从主流中获得能量， 通过漩涡间相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡旋传递，最后由于流体的黏性作用， 小尺度涡旋逐渐消失，机械能转化为流态的热能。同时，由于边界的作用，新的 涡旋又不断地产生，就构成了紊流运动 6 2 , 6 3 1 。 一般无论紊流运动多么复杂，非稳态的连续方程和n a v i e r - s t o k e s 方程对于紊 流的瞬时运动仍然是适用的。紊流数值模拟方法大致分为三类：紊流的直接数值 模拟、大涡模拟、雷诺时均方程法。 2 2 紊流数值模拟方法简介 2 2 1 直接数值模拟( d n s ) 直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称d n s ) 方法就是直接用瞬时 1 2 扬州大学硕士学位论文 的n a v i e r - s t o k e s 方程对紊流进行计算。d n s 的最大好处是无需对紊流流动做任何 简化或近似，理论上可以得到相对准确的计算结果 6 4 , 6 5 1 。 实现紊流的直接数值模拟需要足够的网格分辨度和紊流的初始场，要求网格 ， 、! 尺度至少小于紊流的耗散尺度，即k o l m o g o r o v 尺度，_ - f 兰1 4 。有人曾对一个较大 f ， 尺度内素流直接模拟做这样的估计，当大涡尺寸为1 0 4 c m ，小涡尺度为l e m 左右 量级时，如果大涡的环流周期为6 0 s ，为了进行一个周期的数值计算，估计要1 0 4 个时间步长，1 0 1 2 个节点，进行大约1 0 媾次运算。对于内存空间及计算速度这样高 的要求，远远超出了现代计算机所提供的可能，即使每秒l o 亿次的超级计算机， 也需要计算3 0 年。目前只有少数拥有超级计算机的研究中心才能对低雷诺数、简 单边界条件、已知系数韵初始统计性质的紊流进行直接数值模拟的探索， 2 2 2 大涡模拟( l e s ) 大涡模拟( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，简称l e s ) 是在紊漉漩涡学的认识基础上发 展起来的。为了模拟紊流运动，一方面要求计算区域的尺寸应大到足以包含紊流 运动中出现的最大涡，另一方面要求计算网格的尺度应4 , 至j j 足以分辨最小涡的运 动。就目前的计算机链力而言，能够采用的计算网格的最小尺度仍比最小涡的尺 度大许多。因此，目前只能放弃对全尺度范围的涡的运动的模拟，在流场的大尺 度和小尺度结构之间选一滤波宽度对控制方程进行滤波，从而把所有变量分为大 尺度量积小尺度量。对大尺度的紊流运动通过n a v i e r - s t o k e s 方程直接计算出来， 对于小尺度的涡对大尺度运动的影响通过建立模型来模拟，从而形成了目前的大 涡模拟方法。 大涡模拟的基本思路可概括为：用瞬时的n a v i e r - s t o k e s 方程直接模拟湍流中 的大尺度涡，不直接模拟小尺度涡，而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。 2 2 3 雷诺时均方程法( p a n s ) 到目前为止，工程上求解紊流的素流模式理论仍然建立在r e y n o l d s 于1 8 8 5 年提出的将紊流瞬时量分解为平均量与随机脉动量之和的雷诺分解基础上： 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 u f = 甜+ 封j ，p = p + p 将上式方程代入n a v i e r - s t o k e s 方程组得到雷诺时均方程： 连续方程 塑：0 阮 动量方程 一0 u i 帆盟：一三鱼+ 堕+ 盟 0 t j 0 x i pa x j0 x j 瓠i ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 式中 科睁刳，吒= 丽 其中，f ，毛t 分别为层流黏性应力和紊流的雷诺应力。在雷诺方程中，由于雷诺 应力f ：的出现，方程组不再封闭，为了解决方程封闭问题，可导出雷诺应力输运 方程 口“ 寻2 岛+ o 椰”吖p ( 2 - 3 ) 其中，扩散项 b = 斟丽 一台“：+ 民“j ) + 雷诺应力产生项。= 弋磊篆+ 丽斟 应力应变项 = 告悟+ 斟 耗散项 岛吻筹等 ，毒瓦) 雷诺方程2 3 中扩散、产生等项中出现了更高阶的相关项，二阶相关量的输 运方程中出现了三阶相关量使未知量数目迅速增加。因此，要使方程组封闭必须 对r e y n o l d s 应力作出某种假定，即建立应力的表达式( 或引入新的紊流模型方程) ， 通过这些表达式或紊流模型，把紊流的脉动值与时均值等联系起来。由于没有特 1 4 扬卅i 大学硕士学位论文 定的物理定律可以用来建立紊流模型，所以目前的紊流模型只能以大量的实验观 测结果为基础。 根据对r e y n o l d s 应力作出的假定或处理方式不同，目前常用的紊流模型有两 大类：r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型。 通常债况下，r e y n o l d s 应力方程是微分形式的，称为r e y n o l d s 应力方程模型。 若将r e y n o l d s 应力方程的微分形式简化为代数方程的形式，则称这种模型为代数 应力模型。这样r e y n o l d s 应力模型包括：r e y n o l d s 应力方程模型限s m ) 和代数应 力方程模型( a s m ) 。 紊动黏性系数模型以b o u s s i n e q ( 1 8 7 7 ) 假设为基础。 一面= 文考+ 针扣 函4 ， 其中， 为紊动黏性系数；k 为素动动能；4 ，为k r o n e c k e r 函数。以概念的引入 把求解雷诺应力一“_ j 问题转化为求解紊动黏性系数以的问题。这里所谓的涡粘 模型，就是把以与紊流时均参数联系起来的关系式。依据确定以的微分方程数目 的多少，涡粘模型包括：零方程模型，一方程模型和两方程模型【6 ，6 3 1 。 2 3 数值离散方法 在对指定问题进行c f d 计算之前，首先要将计算区域离散化，即对空间上 连续的计算区域进行划分，把它划分成多个子区域，并确定每个区域中的节点， 从而生成网格。然后，将控制方程在网格上离散，即将偏微分格式的控制方程转 化为各个节点上的代数方程组。此外，对于瞬态问题，还需要涉及时间域离散。 空间离散方法主要有有限差分法( f d m ) 、有限单元法( f e m ) 、边界单元法( b e m ) 、 有限分析法( f a m ) 和有限体积法( f v m ) 。 2 3 1 有限差分法 有限差分法是最古老的一种以差分代替微分的近似方法。该方法适用于各种 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 1 5 类型的微分方程，其数学概念清晰、简单、灵活方便，便于编写程序，精度随差 分格式选择可高可低，收敛性和稳定性理论上也趋于成熟，是应用最多和最成功 的一种方法。在一般的规则矩形网格差分计算中，边界的处理常常是采用阶梯化 近似的方法。这种处理方法由于边界难以被精确而光滑的拟合，给计算的精度带 来了一定的影响。为了克服其局限性，美国的t h o m p s o n 等提出的边界拟和坐标系 ( b o u n d a r yf i t t e dc o o r d i n a t es y s t e m s ) 方法原则上可以把任意复杂的几何边界变成规 则的矩形边界求解，但是计算区域的规则化以控制的复杂化为代价，而且当边界 存在尖角时，会出现局部奇异现象，使计算不能收敛。为充分利用规则矩形网格 的优点，克服阶梯化近似及边界拟合坐标的缺点，戴会超【卵从双流体模型出发提出 用通度系数法处理不规则边界。有的学者致力于突破传统差分法仅适合规则的矩 形网格的传统观念，各种非规则的任意网格差分应运而生。该方法同有限元一样 因单元分布的灵活性容易处理复杂的几何边界，但存在计算工作量大、节点编号 复杂等缺点，很难在工程应用中得到广泛的应用。 2 3 2 有限单元法 有限元法与有限差分法都是广泛应用的流体动力学数值计算方法。有限元法 是将一个连续的虬结域任意分成适当形状的许多微小单元，并于各小单元分片构 造插值函数，然后根据极值原理( 变分或加权余量法) ，将问题的控制方程转化为所 有单元上的有限元方程，把总体的极值作为各单元极值之和，即将局部单元总体 合成，形成嵌入了指定边界条件的代数方程组，求解该方程组就得到各节点上待 求的函数值。 有限元法的基础是极值原理和划分插值，它吸收了有限差分法中离散处理的 内核，又采用了变分计算中选择逼近函数并对区域进行积分的合理方法，是这两 类方法相互结合、取长补短发展的结果。它具有很广泛的适应性，特别适用于几 何及物理条件比较复杂的问题，而且便于程序的标准化。对椭圆方程问题有更好 的适用性。 有限元法因求解速度较有限差分法和有限体积法慢，因此，在商用c f d 软 1 6 扬州大学硕士学位论文 件中应用并不普遍。目前的商用c f d 软件中，f i d a p 采用的是有限元法，其它软 件多采用有限体积法。 2 3 3 有限体积法 有限体积法( f v m ) 又称控制体积法( c v m ) ，其基本思路是：将计算区域划分 为一系列互不重复的控制体积，每个控制体内有一个网格点，将待解的微分方程 对所有的控制体积逐一积分，便得到一组以网格点上的因变量为未知数的离散方 程。有限体积法得出的离敖方程，要求因变量的积分守恒对任意一组控制体积都 满足，故对整个计算区域，自然也就得到满足。这是有限体积法吸引人的优点， 与有限差分法比，仅当网格及其密时，离散方程才满足积分守恒，而有限体积法 即使在粗网格情况下，也显示出准确的积分守恒。 有限体积法的基本思想易于理解，并能得出直接的物理解释。离散方程的物 理意义，就是因变量在有限大小的控制体积中的守恒原理，如同微分方程表示因 变量在无限小的控制体积中的守恒原理一样。就离教方法面言，有限体积法可视 为有限单元法和有限差分法的中间物：有限单元法必须假定因变量值在网格点之 间的变化规律( 即插值函数) ，并将其作为近似解；有限差分法只考虑网格点上因变 量的数值面不考虑因变量值在网格点之间如何变化。有限体积法只寻求因变量的 结点值，这与有限差分法类似，但有限体积法在寻求控制体积的积分时，必须假 定因变量值在网格之间的分布，这又与有限单元法相类似。在有限体积法中，插 值函数只用于计算控制体积的积分，得出离散方程之后，便可忘掉插值函数，如 果需要的话，还可以对微分方程中不同的项采取不同的插值函数。 2 3 4 边界元法 边界元法( b e m ) 实质上是解数学物理方程的格林函数法，据此给出解的积分 表达式；然后利用定解条件建立边界积分方程：由于所得之边界积分方程通常不 可能解析求解，为此利用有限元离教。将其转化为边界结点上未知量表示得代数 方程组；解该代数方程组，求得边界结点所有得未知值。对于利用直接边界单元 法或对域内物理量变化得问题，则应将已求得边界结点上的未知值连同定解条件 彭大田：船坞排水泵站进水系统水力特性研究 1 7 一起代入解的积分表达式，计算相应的积分，得出问题的数值解。由此可见，边 界单元法可看作是格林函数法( 或边界单元方程法) 与有限元法相结合的产物。边界 单元法最大的特点可以使求解问题的空间维数降低一维，从而使计算工作量与所 需内存明显减少，是计算椭圆性问题的有效方法，但由于需要基本解，对复杂的 情形如解完整的n s 方程尚没有得到广泛的应用。 2 3 5 有限分析法 有限分析法( f a 旧是美籍华人陈景仁教授于1 9 8 0 年提出的，它的基本思想 是：将古典解析法纳入偏微分方程的数值解中去。首先将待求问题的总体区域划 分为许多小的子区域，在这些子区域上求解析解，然后从局部解析解导出一个代 数方程，把子区域上的内结点值与相邻的结点值联系起来汇集成一组代数方程， 再加上边界条件可解出区域内各点因变量。有限分析法具有明显的自动迎风性质， 克服了在高r e n o l d s 数下有限差分数值解容易振荡或发散的缺点，计算稳定性好收 敛速度较快。因而，自从有限元分析法问世以来，受到国内外学者的高度重视， 到1 9 8 5 年后李炜如、吴江航对有限分析的收敛性和稳定性进行了分析和证明，使 有限分析法日趋完善。 2 4 数学模型和计算方法 2 4 1 基本方程 本文所研究的船坞排水泵站进水系统的水流运动属于不可压缩紊流流动，可 用非稳态的连续方程和n a v i e r - s t o k e s 方程对紊流的瞬时运动进行描述。运用笛卡 尔坐标系，紊流瞬时控制方程可表示如下： 1 ) 连续性方程 堕：0 g x i 2 ) 动量方程为 扬州大学硕士学位论文 o ( p u j u , ) ：一 - - + 里! 丝堕! 塾! 兰丝塑( 2 - 5 ) a