（流体机械及工程专业论文）低扬程立式轴流泵装置数值模拟与模型试验研究.pdf

吴开平：立式轴流泵装置数值模拟与模型试验研究 - i 摘要 南水北调东线工程泵站具有扬程低、流量大、年运行时间长等特点。如何根据 东线工程泵站的特点，优化进出水流道的水力设计、提高水泵装置的效率，是东线 工程泵站建设中一项极其重要的工作。 本文主要探讨了轴流泵泵段和立式泵装置内部三维湍流流动数值模拟研究方 法的可行性和准确性。泵段及泵装置的数值模拟借用了z b m 7 9 1 轴流泵水力模型， 立式泵装置的流道分别采用了肘形进水流道和直管式出水流道。 应用了由连续性方程、雷诺应力平均n a v i e r - s t o k e s 方程、紊动能k 方程和紊动 能耗散占方程组成的封闭方程组作为泵段及泵装置内部三维湍流流动的控制方程。 控制方程组的离散选用控制体积法，控制方程组的求解选用s i m p l e c 算法。 对泵段进行数值模拟，旨在研究探索水力机械内部三维流动数值模拟计算方法 的可行性。这一步骤是泵装置整体数值模拟的不可或缺的准备阶段。泵段数值计算 的结果与其模型试验结果的对比表明采用数值模拟的方法模拟轴流泵内部流场、预 测水泵性能是可行的并具有一定的精度。 结合南水北调东线工程低扬程泵站建设的需要，本文借用某大型立式轴流泵站 的主要控制尺寸和水位组合，采用分解研究的方法，对该泵站进、出水流道内部的 三维流动进行了数值模拟，并对进出水流道内的流态及水力特性进行了初步分析。 这项工作同样也是研究立式水泵装置内部三维流动数值模拟方法的准备工作。 本文基于c a d 、p r o e 、g a m b i t 及自编v i s u a lb a s i c 程序的联合运用，进行叶 片的三维造型并与进、出水流道光滑连接形成泵装置，成功地进行了网格剖分和泵 装置内部流动的数值模拟。在此基础上，计算了泵装置的内外特性，比较了两种不 同形线出水流道的水力性能，还比较了不同n d 值水泵装置的水力性能。 为了验证数值模拟的结果，本文对肘形进水流道和直管式出水流道的两种方案 分别进行了模型试验研究，主要从流态观察和测量水力损失两个方面对计算结果进 i i 扬州大学硕士学位论文：。 、 行验证。结果表明：进出水流道内部流动数值模拟的结果与模型试验的结果一致。 本文的研究说明：采用数值模拟的方法研究轴流泵内部三维流动、计算泵的性 能是可行的、准确的：采用分解数值模拟的方法研究进、出水流道内部的三维流动 是正确的：采用整体数值模拟的方法研究立式轴流泵装置内部的三维流动是可行 的。在此基础上，可应用数值模拟的方法对低扬程泵站水泵装置展开较为深入的优 化水力设计和性能预测研究。 关键词：低扬程立式泵装置水力性能三维流场数值模拟模型试验 墨茎三! 皇垫塑堕茎茎量墼鱼垡型量堡型苎墼婴塑：! ! ! ： a b s t r a c t p u m p i n gs t a t i o n so ft h ee a s t - r o u t es o u t h - t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c th a v e3 c h a r a c t e r i s t i c s ：l o wl i f t ，g r e a td i s c h a r g ea n dl o n g t i m eo p e r a t i o n h o wt oo p t i m u md e s i g n a n dt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo ft h ep u m ps y s t e mb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c si sa n e x t r e m e l yi m p o r t a n tw o r kf o rt h ev r o j e c t f e a s i b i l i t ya n da c c u r a c yo f3 dm e t h o df o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ef l o wi na n a x i a lf l o wp u m ps e c t o ra n dp u m p i n gs y s t e mh a sb e e ns t u d i e d av e r t i c a lp u m ps y s t e m ， w h i c hc o n s i s t so fz b m 7 9 1h y d r a u l i cm o d e lo fa x i a lf l o wp u m p ，e l b o wi n l e ta n ds t r a i g h t o u t l e t ，i sr e s e a r c h e db yt h em e t h o do fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n c o n t r o le q u a t i o n so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni n c l u d ec o n t i n u i t ye q u a t i o na n dr e y n o l d s n a v i e r - s t o k e se q u a t i o nw i t hs t a n d a r dk 一占t u r b u l e n tm o d e l t h ef i n i t e - v o l u m e m e t h o d i su t i l i z e df o rd i s c r e t i z a t i o no ft h ec o n t r o le q u a t i o n s s i m p l e ca l g o r i t h mi sa p p l i e dt o p u m ps e c t o ra n dp u m p i n gs y s t e m sn u m e r i c a ls i m u l a t i o n i n o r d e rt or e s e a r c ht h ef e a s i b i l i t yo fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o df o rh y d r a u l i c m a c h i n e r yi n t e r i o r3 dt u r b u l e n tf l o w , p u m ps e c t o rh a sb e e ns t u d i e dw i t hn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d ，t h i si si m p o r t a n ts t a g et h a tc a nn o tb ea b s e n t t h ec o m p a r i s o no f n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l ta n dm o d e lt e s tr e s u l ti n d i c a t et h a tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n m e t h o df o rh y d r a u l i cm a c h i n e r yi n t e r i o r s3 dt u r b u l e n tf l o wi sf e a s i b l ea n da c c u r a t e c o n s i d e r i n gt h er e q u i r e m e n tf o rt h ee a s t r o u t es o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e r p r o j e c t ，t h em a i nd i m e n s i o n sa n dw a t e rl e v e l so fal a r g ep u m p i n gs t a t i o nh a sb e e n u t i l i z e d ，i n t e r i o r3 dt u r b u l e n tf l o wo ft h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t sa r es i m u l a t e d n u m e r i c a l l y i nt h el i g h to ft h ec a l c u l a t e dr e s u l t s ，t h ef l o wp a t t e ma n dc h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t sh a v eb e e na n a l y s e d t h i si sa l s op r e - w o r kf o rn u m e r i c a l s i m u l a t i o nf o ri n t e r i o r3 dt u r b u l e n tf l o wi nav e r t i c a la x i a lp u m ps y s t e m c a d 、p r o e 、g a m b i ta n dv i s u a lb a s i ch a v eb e e nu s e dt os h a p e i m p e l l e r , i n l e t i v 扬州大学硕士学位论文 o u t l e tc o n d u i t sa n dt oc o n n e c tt h ei m p e l l e rw i t ht h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t ss m o o t h l yt o c o n s i s t sp u m ps y s t e m g r i d so ft h ep u m ps y s t e mw e r ef o r m e ds u c c e s s f u l ly a n dt h e n i n t e r i o rt u r b u l e n tf l o wi nt h ep u m ps y s t e ms i m u l a t e dn u m e r i c a l l ya n ds u b s e q u e n t l yt h e i n t e m a la n de x t e m a lc h a r a c t e r i s t i cw a ss i m u l a t e d n o to n l yt h eo u tc o n d u i th y d r a u l i c p e r f o r m a n c eo f2k i n d ss h a p el i n eb u ta l s o2k i n d so fn dv a l u eh a v eb e e nc o m p a r e d t ov e i l f yr e s u l t so ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m o d e lt e s tf o rf l o wp a t t e r n sa n d h y d r a u l i cp e r f o r m a n c eo ft h ee l b o wi n l e ta n d2s t r a i g h to u t l e tc o n d u i t sw i t hd i f f e r e n t s h a p ew e r ec o m p l e t e da n da n a l y s e d i ti n d i c a t e st h a tt h en u m e r i c a lr e s u l t sf o ri n t e r i o r3 d t u r b u l e n tf l o wi nt h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t sc o r r e s p o n dt ot h et e s tr e s u l t s t h es t u d yo ft h i sp a p e ri n d i c a t e st h a ta p p l y i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt o r e s e a r c hi n t e r i o r3 dt u r b u l e n tf l o wi nt h ea x i a lp u m pi sf e a s i b l ea n da c c u r a t e ，a p p l y i n g t h ed i s i n t e g r a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o dt or e s e a r c hi n t e r i o r3 dt u r b u l e n tf l o wi n i n l e ta n do u t l e tc o n d u i ti sc o r r e c t ，a n da p p l y i n gt h ei n t e g r a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d t or e s e a r c hi n t e r i o r3 dt u r b u l e n tf l o wi nt h ev e r t i c a la x i a lp u m ps y s t e mi sf e a s i b l e b a s e d o nr e s e a r c hw o r km e n t i o n e da b o v e ，o p t i m u md e s i g na n dp e r f o r m a n c ef o r e c a s to fal o w l i f tp u m ps y s t e mc o u l db ed e a l tw i t hb yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：l o wl i f t ，v e r t i c a lp u m ps y s t e m ，h y d r a u l i cp e r f o r m e n c e ，3 df l o wf i e l d ， 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 - v i i i 扬州大学硕士学位论文 符号说明 符号物理含义 4 速度矢量 u lf 方向的速度分量 i p 压力 q平均速度梯度引起的湍动能k 的产生项 p t湍动粘度 p 流体密度 动力粘性系数 v 运动粘性系数 x if 方向的坐标分量 七紊动能 占 紊动能耗散 0 z 有关单元中心至前池底部的距离 以前池底部的绝对糙度 d 。固壁的绝对糙度 吴开平：立式轴流泵装置数值模拟与模型试验研究 - l - 1 1 引言 第一章绪论弟一早三百可匕 联合国水资源委员会早在1 9 7 7 年就向各国发出警报：“供水不足将成为一个深 刻的社会危机”。南水北调就是在这样的一个背景下被提上日程。我国地域辽阔， 气候跨度大，南方气温高，湿润多雨，水资源较北方丰富。东部地势低洼，水资源 较西部充沛。正因为这种水资源地区分布差异很大，造就了今天气势磅礴的水利事 业。从黄河小浪底工程到举世属目长江三峡工程，从亚洲第一水利枢纽工程( 江都 站) 到亚洲第一大泵( 皂河站) 无一不反映了我国水利事业生机勃勃。我国同时也 是一个水、旱灾害频繁的国家，历来十分重视水利事业，尤其是新中国成立以来， 在人口密集的平原地区大力推行用电机和热机作为动力，利用水泵进行提水灌溉和 排涝。到目前为止，机电排灌面积已占全国耕地的5 0 ，排涝占9 0 ，已建成的机 电排灌站装机7 0 0 0 余万k w ，位居世界各国之首。机电排灌已逐渐成为水利事业中 一个重要的组成部分，并逐渐形成了- - f - j 新的学科。机电排灌学科可分为2 个主要 分支：一是水泵机组，包括水泵本身及其拖动的电动机和内燃机；二是泵站工程及 其配套建筑物，泵站工程包括进水池、进水流道、出水流道、闸门以及防倒流设施 笙【卜2 1 弋_ ro 1 2 南水北调工程概况及其作用 我国水资源的自然分布呈现南方水多、北方水少、时空分布不均的特点，北方 水资源严重短缺，为适应缺水地区的社会经济发展，必须对水资源进行合理调配。 南水北调工程是我国优化配置水资源的重大举措，是解决华北、西北地区缺水的一 项战略性基础设施工程。经多年的勘测、规划、研究，按照长江与北方缺水区之间 的地形、地质状况，分别在长江下游、中游和上游规划了三条调水线路，与海河、 2 扬州大学硕士学位论文 黄河、淮河及长江相互连接，形成了南水北调“四横三纵”总体规划布局。三条调 水线路有各自的主要任务和供水范围，可互相补充，不能互相代替。 东线调水工程：从长江下游扬州附近抽引长江水，利用和扩建京杭大运河逐级 提水北送，经洪泽湖、骆马湖、南四湖和东平湖，在位山附近穿过黄河后可自流， 经位临运河、南运河到天津。输水主干线长1 1 5 0k m ，其中黄河以南6 6 0 k m ，黄河 以北4 9 0k m 。全线最高处东平湖蓄水位与抽江水位之差为4 0m ，共建1 3 个梯级 泵站，总扬程6 5m 。东线工程的供水范围是黄淮海平原东部地区，包括苏北、皖北、 山东、河北黑龙港和运东地区、天津市等。主要任务是供水，并兼有航运、防洪、 除涝等综合利用效益。南水北调东线工程泵站具有扬程低、流量大、年运行时间长 等特点。 中线调水工程：从汉江丹江口水库引水，输水总干渠自陶岔渠首闸起，沿伏牛 山和太行山山前平原，京广铁路西侧，跨江、淮、黄、海四大流域，自流输水到北 京、天津。中线工程的供水范围是北京、天津、华北平原及沿线湖北、河南两省部 分地区。主要任务是城市生活和工业供水，兼顾农业及其它用水。输水总干渠不结 合通航。 西线调水工程：西线调水工程从长江上游干支流调水入黄河上游，工程拟定在 通大河、雅碧江、大渡河上游筑坝建库，采用引水隧洞穿过长江与黄河的分水岭巴 颜喀拉山入黄河。年平均调水量为1 4 5 - - 1 9 5 亿m 3 。西线工程的供水范围包括青海、 甘肃、宁夏、内蒙古、陕西和山西六省( 区) 。主要任务是补充黄河水资源的不足 和解决西北地区、华北西部地区工农牧业生产和城乡人畜用水3 q 】。 1 3 水力机械的水力设计与优化的研究进展 1 3 1 水力机械的水力设计方法 水力机械的流动设计基本包括两部分，过流通道的几何参数的选择和叶片几何 形状的设计。在计算机还不发达的6 0 年代，水力机械转轮的设计主要是半经验的 二维计算方法。假定转轮中的叶片数无穷多，无限薄，将三维流动简化成轴对称流 吴开平：立式轴流泵装置数值模拟与模型试验研究 3 一 动。根据轴面流动规律的不同假设有一元理论和二元理论设计方法。7 0 年代以后， 由于计算流体力学的发展，目前国内外流体机械叶轮的设计方法，绝大多数是以吴 仲华提出的s1 和s2 流面理论为基础发展起来的【7 3 】。8 0 年代初，c s t a n 等在 h a w h t r o n e 等提出的不可压无粘无旋流动无厚度平面叶栅设计方法基础上，提出了 一种给定环量分布的全三维有势流动设计方法【7 4 】。该方法假设叶片无厚度，转轮内 流动为理想、不可压、有势流动。用叶片附着涡代替无厚度叶片的作用，并将转轮 内流动分解为周向平均流动和周向脉动流动，根据c l e b s h 公式确定叶片附着涡的强 度，从而得出关于平均流动的流函数方程和周向周期性脉动流动的势函数方程。根 据叶片边界条件导出叶片骨线方程，通过求解叶片骨线得出所设计叶片形状。 c s t a n 应用谱方法求解上述流动控制方程，设计轴流叶轮机叶栅。在水力机械的 叶轮设计中，b a n d o 应用t a n 的方法，对水泵叶轮进行了设计。一其在给定叶片的厚 度时采用不同于上述的方程来描述，使设计更为灵活。叶生海用与b o r g e s 相同的方 程和方法对混流式水轮机转轮进行了初步设计。罗兴琦则在该方法的基础上，考虑 叶片厚度的影响，对有旋流动的混流式水轮机转轮进行了全三维反问题设计。彭国 义等人则利用该方法实现了轴流式水轮机转轮的全三维反问题设计。近期，在设计 计算中逐渐引入粘性的作用。m v c a s e y 和e d a l b e r t 等人采用两种三维粘性模型进 行了三维流动分析，计算的结果可以为三维、考虑粘性的叶片设计提供大量依据， 可用于对反问题计算的修正。m z a n g e n e h 又应用粘性与无粘性迭代，提出了一种考 虑粘性作用的全三维设计方法。 另外一种思想是在常规水力机械转轮设计中以三维正问题流动计算为基础对 叶轮设计提供信息，间接指导转轮的优化设计。就是在水力机械内部三维湍流计算 的基础上，预估流动性能，采用了“设计一试算一校正”的流动设计方法。即根据比 较成熟的经验公式和现存的设计方法，设计出初始的水力机械，然后进行三维湍流 的数值模拟。判断流动状态是否合理，不断修改设计达到满意为止。然后再同过性 能试验进行验证。这种设计方法能够得到满足性能要求的水力机械，并且节约了大 量的实验费用。一个典型的例子就是大型混流式水轮机。用于长江三峡等大型水电 站的高水头大型混流式水轮机，转轮直径已近十米，容量达七十万千瓦。近年来， 大型混流式水轮机的最优工作点的效率已达到9 6 ，看来已经达到极限水平。但是， 水轮机不可能总是在最优工况点运行。在大多数情况，由于上下游水位变化，流量 的变化和电网负载的变化，水轮机会运行在非设计( 偏离最优) 工况点。此时水轮 机会发生空化和空蚀，以及振动。严重的情况会危及机组和建筑物的安全。 近年来，采用了在水轮机内部三维湍流计算的基础上的“设计一试算一校正”的 流动设计方法。设计出了全新的“x 型”转轮。“x 型”转轮不仅在最优工况点效率高， 并且在非设计( 偏离最优) 工况点。压力脉动，机组振动和空化会大大减轻。可以 说，这是水轮机设计方法和设计成果上的很大的进步。“x ”型叶片是现代水轮机设 计的一个优秀成果。早在2 0 世纪3 0 年代，k b 公司就有人提出设计一种叶片上冠 进水边前倾和出水边向后扭曲的叶片。这种叶片可以在一定程度上控制叶片背面压 力分布不均的情况，解决叶片背面的空蚀问题；同时可以减小尾水管中心涡带，改 善尾水管内的压力脉动。从6 0 年代初期开始，k b 公司在许多电站采用过“x ”型叶 片的转轮，这些电站覆盖了很大的水头范围，运行稳定、空化性能极好。k b 公司 在高水头混流式水轮机上也曾采用“x ”型叶片，为中国鲁布格电站提供的水轮机转 轮就是一个成功的例子。 1 3 2 水力机械的优化设计方法 近年来，随着高速计算机技术的飞速发展，使得通过离散方法和迭代求解算法 产生的不同类型数值解方法分析物理问题的数值模拟技术得到了飞速发展和广泛 应用。水力设计优化问题就是在满足一定约束条件的前提下，寻找水力性能最好的 型线设计。从流体力学角度出发，最优的压力或速度分布、最小的损失、最大的做 功能力、流动分离的控制等等都常常作为设计目标。这些设计目标的获得，必须应 用c f d 技术。因此c f d 技术在水力优化设计中起着非常重要的作用。通过c f d 技 术，可以得到复杂形状物体的水力性能，可以减少甚至在一定条件下无需进行实验 研究。水力优化设计方法一般分为正问题设计方法和反问题设计方法。有时也有结 合正问题和反问题的混合设计方法。正问题水力优化设计是数值优化方法结合c f d 分析方法，通过不断的修改设计几何型线来优化设计目标值。这类方法的运算量比 吴开平：立式轴流泵装置数值模拟与模型试验研究 - 5 - 较大，近年来随着计算机技术的发展，这类方法在水力优化设计领域，尤其是对于 多目标设计和变工况设计得到了较快的发展。反问题水力优化设计是通过给定的压 力或者速度分布来确定设计目标几何型线。这类方法计算量比较小，但是设计人员 必须熟悉设计目标的流动情况，给出合适的压力或者速度分布。近年来这类方法随 着c f d 技术的发展在水力设计领域也得到了广泛的应用。 基于梯度的优化方法是熟知的数值优化方法，这些方法是通过计算求解域内参 数的当地梯度信息来搜索最优解，在搜索孤立的最优解问题上比较有效。如果要保 证利用基于梯度的优化方法得到的设计结果是全局最优解的话，则要求设计目标函 数和约束条件是可微的，而且是凸函数的条件下。基于梯度的优化方法已经应用于 离心叶轮的水力优化设计和翼型的优化设计中。然而栅水力设计优化问题首先是一 个非线性优化问题，这是因为叶栅水力性能由非线性的e u l e r 方程或n s 方程所控 制决定的。其次，叶栅水力设计优化问题是一个多峰值的问题，因为叶栅几何型线 的微小改变可以导致叶栅水力性能的很大变化。最后，叶栅水力设计优化问题一般 是多目标优化问题，而且设计变量和目标函数之间没有解析的函数关系式。这些特 点使得基于梯度的优化方法很难保证叶栅水力设计优化问题得到全局最优解。如果 要利用基于梯度的优化方法进行水力设计优化而且要保证全局最优解的话，要求优 化过程从很多设计初始点开始进行，并且还要求得到的最优解具有守恒性。从这一 点来说，对于水力优化设计问题，基于梯度的优化方法既不是有效的方法，也不是 鲁棒性很好的方法。 近年来发展的进化计算为水力设计优化开拓了一个崭新的研究领域。进化计算 是一类基于自然选择和遗传变异的生物进化机制的全局性概率搜索算法。当进化计 算应用于优化问题时，适应度、个体和基因分别对应于目标函数值、设计候选解和 设计变量。进化算法最主要的特点是搜索过程从一群初始点开始搜索，而不是从单 一的初始点开始搜索；而且，进化算法在搜索过程中使用的是基于目标函数值的评价 信息，而不是传统方法采用的目标函数的导数信息。这些特点导致进化算法具有很 强的鲁棒性和易于与c f d 结合进行水力优化设计。目前，进化计算已经成功地应 用于水力优化设计领域。 6 扬州大学硕士学位论文 1 4c f d 技术简介及应用现状 理论流体力学、实验流体力学、计算流体力学构成了研究流体流动问题的完整 体系。其中计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) ，是2 0 世 纪6 0 年代起伴随计算机技术迅速发展而崛起的一门学科。c f d 在流体流动、传热、 燃烧、化学反应、多相流等很多学科领域得到了广泛的应用。其基本思想是把原来 在时间域及空间域上连续物理量的场用一系列有限个离散点上的变量值的集合来 代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程 组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值【1 1 13 1 。根据对控制方程离散原理的不 同，c f d 大体上分为三个分支：有限差分法( f i n i t ed i f f e r e n c em e t h o d ，f d m ) 、有 限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f e m ) 、有限体积法( f i n i t ev o l u m em e t h o d ，f v m ) 【l 引。论文所用商用软件f l u e n t 基于有限体积法。 1 4 1c f d 技术应用现状 进入2 0 世纪8 0 年代后，随着计算机技术发展，计算机的性能已经能够满足许 多复杂流动问题模拟计算的要求，计算流体力学越来越受到重视。在流动科学的应 用领域中，人们由传统的单纯依靠实验方法转而采用实验计算数值模拟并举的方 法。多种通用的大型商业化计算软件如“p h o e n i c s ”、“f l u e n t ”等相继问世，而 应用于各个特殊领域解决专门问题的专用计算软件更是多不胜数，其应用已包括航 空、航天、船舶、动力、水利、化工、核能、冶金、建筑、环境等许多相关领域。 同时，计算流体力学已从定性分析向定量的计算过度，它可以提供工程设计、生产 管理、技术改造中所必需的参数，如流体阻力、流体与固体之间的传热量( 散热损 失等) 、气体、固体颗粒的停留时间等综合参数以及各种现场可调节量( 如风量、 风温等) 对这些综合参数的影响规律性；还可以提供流动区域内精细的流场( 速度 矢量) 、温度场、各种与反应进程有关的组分参数场，通过对这些场的分析，发现 现有装置或设计中存在的不足，为创新设计、优化设计提供依据。相当于是一个通 用的、多功能的大型冷、热态试验场( 数值试验) 。通过这种“数值试验”可以充分 认识流动规律，方便地评价、选择多个设计方案，进行优化设计，并大幅地减少了 吴开平：立式轴流泵装置数值模拟与模型试验研究 一7 - 实验室和测试等实体试验研究的工作量。在降低设计成本、缩短开发周期及提高自 主开发能力等方面，计算流体力学起到重要的作用。发达国家许多大学、研究机构 及大公司都已开展了大量的研究工作。 目前，c f d 在计算方法、网格技术、物理模型等方面都取得了较大的进展。在 计算方法上追求三阶精度以上的高精度格式方法，由于紧致差分格式是一类高精度 的格式，能在更宽的谐波范围内逼近真实解的谐波成份，更好地反映流动的小尺度 结构，所以对紧致格式的研究最为突出，紧致格式的理论研究已趋向成熟，现在重 点是实用化问题。计算方法研究还涉及带限制器的高阶插值、谱方法、拉格朗日方 法、时一空守恒元方法等。特别是将基因算法与传统计算流体力学结合在一起，在 域分裂和最优化设计等许多方面显示良好的应用前景。网格技术方面重点研究网格 与流动特征的相容性、分块网格以及混合网格技术。对于某些复杂流动问题，传统 的网格无限加密技术可能使计算结果失真，此时就要求构造与特征相适应的网格完 成c f d 的计算任务。随着c a d c a m 技术的发展和应用水平的提高，三维实体的 网格剖分得到了迅速发展，并成为当前研究的热点。目前，三维的网格剖分成果主要 表现为两种类型：第一种类型是采用有关算法实现了三维体的网格自动剖分【1 5 , 1 6 j ， 我们称它为“常规”三维体剖分，其特点是剖分的网格基本能反映原几何形体，网格 粗细基本相同：另一种类型称为三维网格的自适应剖分【1 7 18 1 ，其特点是先构造反映 原几何形体的粗网格，然后根据几何体的物理场分析结果，即根据体系的物理特性 进行不断调整，最后形成有不同密度分布的更合理网格。在物理模型上，除运用基 本的e u l e r 和一s 方程外，对一些复杂的流动问题，如湍流问题、两相流问题、化 学非平衡问题等等，还需要补充相应的流动方程。总而言之，c f d 正处于高速发展 的时期。 与传统的试验方法相比，c f d 应用的优点大致可归纳如下：( 1 ) 可以更方便地 分析、研究流体的流动状态、物质和能量的传递等过程；( 2 ) 可以较容易地改变输 入变量，以获取大量在传统实验中很难得到的信息资料进行归纳统计；( 3 ) 整个研 究、设计所花的周期、经费大大减少；( 4 ) 可以方便地用于那些无法实现具体测量 的场合，如高温、危险的环境。缺点是( 1 ) 是因为目前广泛应用的紊流模型都是 8 扬州大学硕士学位论文 ， 经验和半经验的，有一定的计算误差，需经试验验证；( 2 ) 数值计算网格剖分方式、 密度会影响计算结果，随着软件应用者经验的积累，此缺点可以克服。 1 4 2 水力机械内部流动数值模拟技术研究进展 数值模拟技术的应用极大地改变了水力机械学科的面貌，数值分析方法的进展 和计算机技术的进步，已经把水力机械学科的基本研究手段从理论分析与物理模型 - 试验发展到理论分析、物理试验与数值分析并重的新阶段，特别是数值分析方法， 由于其适应面广、工作量少、分析精度高、速度快等特点，已经是现在水力机械学 科最主要的研究手段。 目前，尽管复杂流道中的流动理论尚不十分完善，混流式水轮机流道中的复杂 三维非定常湍流的计算模拟的难度还很大，但是计算机技术和计算流体动力学的快 速发展已为水轮机的非定常流动计算提供了基础，新的模拟技术和模拟方法不断涌 现，例如最新版本的f l u e n t ，t e l e m a c 软件已能提供包括l e s 和d n s 模拟技术在 内的湍流分析；c f x 的最新版本已具有在a l e 描述下的l e s 分析功能，还有 t a s c f l o w ，n u m e c a 等c f d 商业计算软件在三维非定常湍流计算方面的功能也在 不断发展，这些软件均具有用户根据所需进行二次开发的功能，尤其是些近年来， 由于计算机c p u 技术的飞速发展和内存空间大幅提高，加上加速收敛技术、非结 构化网格技术、多重网格、隐式残差光滑方法的使用，使得转动和非转动部分联合 计算成为可能。水力机械内部流动数值模拟是2 0 世纪9 0 年代以来各国研究的热点 之一。、 c f d 技术用数值解代替解析解能够很好地满足泵站工程建设的实际需要，而且 可以不受物理模型和实验模型的限制。从八十年代初开始到现在，计算流体力学解 。 决了在叶轮、泵站流道、尾水管、前池、进水池等方面的工程应用问题。 我国专家在水轮机、水泵叶轮研究方面做了大量地工作，韩凤琴、久保田乔用 c f x t a s c f l o w 流体软件对水轮机内部复杂的三维粘性流动进行解析研究，分析了 水轮机内部流动状态【7 5 】。徐宇、唐学林、吴玉林基于n s 方程和k 一占紊流模型， 对于所选择的五个工况点，采用贴体坐标系和交错网格系统，使用s i m p l e c 算法 吴开平：立式轴流泵装置数值模拟与模型试验研究 一9 对水泵水轮机转轮内部紊流进行数值计算，得出了转轮内部流场和压力场的分布 1 7 6 】。杨建明、吴玉林等利用k 一占双方程模型和有限差分法对水轮机尾水管的内部流 场进行计算，得到了尾水管内的压力分布和速度分布以及管内回流现象【29 i ，又运用 大涡模拟双方程模型进行尾水管内部非定常周期性湍流计算1 3 0 。 目前，工程上所应用的水力机械的三维湍流数值计算，主要还是定常流动计算， 固定部件和转动部件分开计算。三维湍流数值计算为分析水泵、水轮机等水力机械 内部复杂的湍流流场提供了一种新的手段，随着三维湍流数值计算理论和数值方法 的进一步完善，有可能从本质上揭示水力机械空化和水力振动等重要水力特性的机 理，从而为研究和开发高性能、大流量、高水头水泵或水轮机装置提供理论和技术 依据。 水力机械的真实流动是非定常三维湍流。水力机械的全流道和非定常三维湍流 数值计算的发展，取决于计算机技术和计算流体动力学的发展及其应用，也取决于 湍流理论和湍流模型的进展。另外，三维湍流数值模拟中的近壁面处理问题、控制 方程时间积分步长问题、并行算法问题等，仍是需要进一步研究的内容。 在泵站流道及水轮机组尾水管研究方面，陆林广采用雷诺应力平均n s 方程和 标准k g 双方程模型，贴体坐标和交错网格系统对泵站进、出水流道内的流动进行 了数值模拟，并此在基础上以速度分布均匀度和加权角度为优化目标函数对进水流 道进行了优化水力设计，这种数值计算方法已在很多泵站流道设计中得到应用1 5 0 5 2 1 。成立采用雷诺时均方程结合k 一占紊流模型对典型泵站进水弯道水流及其流态改 善进行三维数值模拟，计算结果与试验值吻合【6 4 1 ，并应用基于壁面率的r n g k 一占模 型对底扬程泵站双向出水流道进行数值模拟，提出优化出水流道的目标函数，并依 据数值模拟的结果，预测出水流道的损失，结果经验公式计算的水力损失较为接近。 刘小龙等为了优化泵站出水流道的水力设计，对其三维正命题的求解采用了雷诺平 均n s 方程，并以标准k 一占湍流模型使方程组闭合【6 引。在以压强连接的隐式修正 法算法建立的压力速度校正方程上，求解流道内三维不可压缩湍流流场，揭示泵站 出水流道内部的流动形态，进一步对数值模拟的结果分析，由此找出水力设计过程 中存在的问题并提出相应的改进方法【6 5 】。t - 斯托布里s 迪尼兹预测弯肘型尾水管的 1 0 一 扬州大学硕士学位论文 流动特性，分析尾水管进i ：3 水流无环量和有环量两种情况的计算结果【7 7 】。 1 5 对大型立式轴流泵装置进行研究的必要性 立式轴流泵作为一种成熟的泵型已经得到很多应用，南水北调东线工程的宝应 泵站、刘山泵站、解台泵站、万年闸泵站、台儿庄泵站、淮安四站等泵站也应用了 这种泵型。立式轴流泵的优点是：设计和制造技术已经比较成熟；造价较为经 济；电机工作环境较好，水泵导轴承荷载较小，安装检修方便；运行管理方面 经验丰富，与其它泵型相比具有更高的安全性和可靠性。 我国在大型泵站的建设方面虽然已经积累了比较丰富的经验，但仍然有一些对 泵站工程的建设和运行有重要影响的技术问题还没有完全掌握，特别是在低扬程立 式泵装置的研究和应用方面，还有一些重要问题有待解决。 ( 1 ) 我国大型泵站目前存在的主要问题是泵站、机组结构型式及功能选用不 尽合理，机组故障率和维修费用高，装置整体运行效率低。南水北调东线工程是国 家大型重点工程，扬程低，装机容量大，运行时数达5 0 0 0 - - - ，6 0 0 0h a ，不但要满足 高效率运行，而且任何一级泵站发生故障都会影响整个调水工程的正常运行。因此， 一定要合理规划、设计、选型，提高供水可靠性，节省维修费用，降低调水成本【8 1 u j ，其中可靠性和经济性是南水北调东线工程梯级泵站设置需要考虑的两个主要问 题。 ( 2 ) 对低扬程水泵装置性能有显著影响的进、出水流道的水力设计长期以来 采用一维设计方法，三维水力设计方法目前在我国现行国家标准泵站设计规范 中还是空白。由于流道设计不当而导致水泵装置能量性能或汽蚀性能较差的情况较 为普遍。面对2 1 世纪泵站工程建设的高标准、高要求，有必要开展水泵装置的研 究，以适应南水北调工程大型泵站建设的特点和需要，进一步提高我国泵站设计和 建设的水平、确保南水北调东线工程的安全运行并取得最佳的经济效益和社会效 益。 因此，鉴于立式装置固有的优点，将成为东线工程泵站主要形式之一，有必要 对立式装置流动特性、水力性能作进一步深入研究。为使这种装置能够取得更好的 吴开平：立式轴流泵装置数值模拟与模型试验研究 一11 效果，在现代科学技术日新月异发展的基础上，寻求更好的研究方法解决低扬程立 式泵装置存在的问题。本文主要任务是对泵装置内部三维流动数值模拟的可行性进 行探讨。 1 6 低扬程立式轴流泵装置研究方法 研究低扬程水泵装置可以有模型试验和数值模拟两种基本方法，在每种基本方 法中又都可采用将三个部分( 泵和进、出水流道) 联系在一起的整体研究方法和将 三个部分分开研究的分解研究方法。由模型试验与数值模拟、整体研究与分解研究 的不同组合，可以有4 种研究低扬程水泵装置水力性能的方法。数值模拟是模型试 验研究的必要准备，以数值模拟研究为主、以模型试验研究为辅的方法是必然的发 展趋势；分解研究的方法不可能取代整体研究的方法，而是对后者的重要补充。很 明显，这些方法之间应是相辅相成、相互补充而不是相互排斥的关系。 整体模型试验研究方法是指将水泵装置作为一个整体、进行整个装置的水力性 能进行模型试验的研究方法。这实际上也是种“暗箱试验方法”，重要的是获取整 个装置的水力性能，并不要求了解装置各组成部分的性能。 分解模型试验研究方法是指将水泵装置的3 个组成部分从装置中分解出来、单 独对其水力性能进行模型试验的研究方法。这种方法的思路与整体模型试验方法正 相反，是一种“亮箱试验方法”，目的是分别地获取水泵装置各组成部分的性能。 整体数值模拟研究方法是指对整个水泵装置进行内部流动数值模拟计算的研 究方法。与模型试验研究方法不同，这种方法不仅可以获得整个装置的水力性能， 而且可以获得装置各组成部分的性能。 分解数值模拟研究方法是分别地对水泵及迸、出水流道进行数值模拟计算的研 究方法。这种方法的提出和应用远在水泵装置数值模拟研究方法出现之前，特别适 用于对水泵水力模型和进、出水流道进行优化水力设计。 近十几年来，随着计算流体动力学( c f d ) 理论及计算机硬件的迅速发展，运 用数值计算的方法模拟流体机械内部的三维流动已成为可能。文献 5 0 6 1 采用了分 解数值模拟研究的方法，模拟了肘形、斜式进水流道和虹吸式、直管式、斜式等几 1 2 扬州大学硕士学位论文 种形式出水流道内的流动形态并做了深入的研究和分析，但是到目前为止，有关立 式轴流泵装置内部流动数值模拟方面的相关研究资料还相当少。 1 7 论文研究的主要内容 依据前面提出对泵装置的研究方法，论文将以c f d 数值模拟为主，模型试验 为辅，对立式轴流泵装置和进、出水流道的研究方法进行探讨，主要做以下几方面 的工作： 一、将水泵和进、出水流道从泵装置分解出来单独研究 ( 1 ) 对轴流泵模型进行数值模拟，其结果可与泵段模型试验的结果对比，以 检验轴流泵转轮内部流动数值模拟方法的可行性与准确性： ( 2 ) 对进、出水流道分别进行数值模拟，研究其流动特性及能量特性； 二、对立式泵装置整体进行数值模拟研究 ( 3 ) 结合南水北调东线工程低扬程立式轴流泵站建设的需要，用数值模拟方 法计算立式轴流泵装置的内部流动； ( 4 ) 用数值模拟的方法计算配用不同出水流道的立式轴流泵装置内部流动， 并与单独流道流动模拟的结果比较： 三、模型试验研究 ( 5 ) 将进、出水流道制作透明流道进行模型试验，观察流态，测试流道损失， 对流道单独计算的结果进行验证； ( 6 ) 全文总结，并展望在本文研究基础上的后