（水利水电工程专业论文）大型泵站钟形进水流道三维数值模拟与试验研究.pdf

扬州人学硕十学倪论文 摘要 进水流道是大型泵站的一个重要组成部分，其水力特性对水泵性能有着直接 的影响。良好的进水条件可以使水泵装置达到良好的运行状态，获得较高的效率。 水流流态特别是进水流念直接影响水泵的正常运行。大型轴流泵站，流道相对较 短，进水流场不均匀会造成水泵进口流速与压力分布不均匀，极易引起水泵效率 下降并产生振动、噪声和空蚀破坏。开展泵站进水流道内流场的研究有助于探求 水泵进水流态的变化规律并对复杂几何形状的进水流道优化设计和提高泵站效率 及安全可靠性有重要意义。 本文的研究分为两部分，一部分是钟形进水流道的数值模拟计算，另一部分 是同方案下水工物理模型试验。研究选取对工程造价影响明显且争论较大的流道 高度( 喇叭管悬空高度) 作为对象；文中分别设计了多种方案下的水工物理模型和数 值模型。通过深入研究，尝试揭开相关因素对流道性能的影响规律。 本文概述了各种典型的进水流道形式，构建了合理的钟形进水流道三维流动 数学模型。采用直接求解三维雷诺平均方程和k 一湍流模型方程组的方法，对钟形 进水流道内流场进行三维数值模拟计算。通过数值模拟计算分析研究钟形进水流 道进水流态的影响因素，并在此基础上提出合理的悬空高优化水力设计方案。 在对钟形进水流道进水流场观测的同时，本文引入两个目标函数一流道出口 速度分布均匀度、流速加权平均角度，对数值计算结果进行分析。结果表明钟形 进水流道悬空高对水泵叶轮进口断面流态影响较为显著。 实验测量得到的结果真实可靠，它是理论分析和数值方法的基础和验证手段。 受种种条件制约，有时很难进行所需的实验。在数值模拟计算的基础上，本文进 行了物理模型试验。试验主要从流态观测与测试两个方面进行，试验结果表明数 值模拟计算结果合理、正确。本文将实验测量和数值模拟相结合，以便两者数据 相互验证，并从中发现水泵进水流念的变化规律。 本文中进水流道共做了4 个水工模型实验方案和6 个数值模拟方案。物理模 何钟宁：大型泵站钟形进水流道三维数值模拟与试验研究 一v 型试验实测了流道的水力损失和部分流态数据。数值模拟中选用了工程实践中最 常见的雷诺时均方程和标准k - e 双方程模拟湍流运动、应用有限体积法离散控制方 程、s i m p l e c 算法求解方程组的方法，最终得到各种方案的模拟计算结果。 试验和计算结果表明，钟形进水流道的高度( 喇叭管悬空高度) 有一合理范围。 成果对改进进水流道设计理论和方法，提高运行性能具有重要意义。 关键词：钟形进水流道、流场、数值模拟、试验 塑扬州大学硬主堂堡笙兰 a b s t r a c t i n t a k ec o n d u i ti sa ni m p o r t a n tp a r to fl a r g ep 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 ft h ep u m p i n gs t a t i o ni n l e th 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 fa p u m p t h ee f f i c i e n c yo ft h ep u m ps t a t i o nc a nb eu p r a t e di nt h ec o n d i t i o no f w e l lf l o w c o n d i t i o n l a r g ea x i a l f l o wp u m p i n gs t a t i o n sb e c a u s ew h i c hh a v es h o r tc o n d u i te a s i l y c a u s eb a df l o wa n dl e a dt ot h ee f f i c i e n c yo ft h ep u m pu n i td r o pa n dc a u s e sv i b r a t i o n , n o i s e ，a n dc a v i t a t i o ne r o s i o n s o ，t h er e s e a r c ho nt h ei n l e tf l o wp a t t e mo ft h ei n t a k e c o n d u i t ，w h i c hc o n t r i b u t e st of i n dt h ef l o wr e g u l a t i o n s ，h a v ei m p o r t a n tm e a r i n gt o o p t i m i z et h ed e s i g n o ft h ei n t a k ec o n d u i tw i t he o m p l e xg e o m e t r ya n dr a i s et h e e f f i c i e n c y , s a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo f p u m p i n gs t a t i o n s i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c hi sd i v i d e di n t ot w om a j o rp a r t s o n ei st h a tn u m e r i c a l s i m u l a t i o n t h eo t h e ri st h eh y d r a u l i cm o d e lt e s to f t h eb e l l l i k es u c t i o nb o x t h e r e s e a r c hs e l e c t sb e l l l i k es u c t i o nb o xh e i g h t ( o rc l e a r a n c ef r o mf l o o r ) a so b j e c t ，b e c a u s e i ti si n f l u e n c et ot h ep r o j e c tc o s th i g h l ya n dh a sm o r ed i s p u t e s t h r o u g ht h er e s e a r c h 时t od i s c o v e rt h el a wo fr e l e v a n tf a c t o r si n f l u e n c et h es u c t i o nb o xp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rs u m m a r i z et h ed i f f e r e n tk i n d so f s u c t i o nb o x e sa n ds e tu pt h e3 df l o w m a t h e m a t i cm o d e lo f t h eb e l l l i k es u c t i o nb o x am e t h o db a s e do n3 dh u m e r i c a l s i m u l a t i o no f t h et u r b u l e n c ef l o wt os o l v er e y n o l d s - a v e r a g e de q u a t i o n sa n dt h e s t a n d a r dk - et u r b u l e n tm o d ei sa p p l i e dt oa n a l y s et h ef l o wf i e l di nt h eb e l l l i k es u c t i o n b o x t h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c t sb e l l l i k es u c t i o nb o x f l o wp a r e mi sa n a l y s e da n dr e s e a r c h e d ，i nt h el i g h to f w h i c ht h eg e o m e t r i c a l p a r a m e t e r s ( b e l l l i k es u c t i o nb o xh e i g h t ) o f t h es u c t i o nb o xa r eh y d r a u l i c a l l yo p t i m i z e d a n dt h er e a s o n a b l ec r i t e r i ao f t h eh y d r a u l i cd e s i g nf o rt h es u c t i o nb o xa r eg i v e ni nt h i s p a p e r b e s i d e st h eo b s e r v a t i o no f t h ef l o wf i e l di nt h eb e l l l i k es u c t i o nb o x ，t w oo b j e c t i v e 何钟宁：大型泵站钟形进水流道三维数值模拟与试验研究 f u n c t i o ni sa p p l i e dt oa n a l y s et h er e s u l t so f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h em a i ne f f e c to f t h e f l o wp a t t e mi st h eb e l l l i k es u c t i o nb o xh e i g h t 1 1 l er e s u l to f m e a s u r e m e n ti st r u ea n dr e l i a b l e i ti sb a s i sa n dv e r i f i c a t i o nm e a n so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n b u tl i m i t e db ys o m ec o n d i t i o n s ，i ti sv e r y d i f f i c u l tt ol a u n c ht h en e c e s s a r ye x p e r i m e n ts o m e t i m e s o nt h ef o u n d a t i o no f t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rm a k ea ne x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nh y d r a u l i cm o d e lo f t h eb e l l - l i k es u c t i o nb o x t h ee x p e r i m e n ti sb a s e du p o nt h eo b s e r v a t i o no f t h ef l o w p a t t e r na n dt h et e s t i n go f t h ev e l o c i t yo f f l o w t h ee x p e r i m e n t a lr e s u r sv a l i d a t et h e a u t h e n t i c i t yo f n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n t sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o na l ec o m b i n e di no r d e rt ov e r i f i e dt h e i rr e s u l t sa n df i n dt h ef l o w r e g u l a t i o n s i nt h i sp a p e r , 4h y d r a u l i cm o d e lt e s ts c h e m e sa n d6n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns c h e m e s a r ed o n ea b o u tt h eb e l l l i k es u c t i o nb o x t h e h y d r a u l i cf r i c t i o no o s so f h e a d ) a n ds o m e f l u i ds t a t ed a t aa r ec o l l e c t e di nt h eh y d r a u l i ce x p e r i m e n t i nt h en u m e r i c a lm o d e l i n g ， b a s e do nt h er e y n o l d s - a v e r a g e de q u a t i o n su s i n gt h es t a n d a r dk - ed o u b l em o d e lt h e t h r e ed i m e n s i o n a lt u r b u l e n tf l o wi ni n t a k ec o n d u i ti ss i m u l a t e d a p p l i c a t i o nf i n i t e v o l u m em e t h o dd i s c r e t ec o n t r o le q u a t i o n sa n dt h es i m p l e ca l g o r i t h ms o l v es y s t e mo f e q u a t i o n s f i n a i l yc o m p u t a t i o ns i m u l a t i o nr e s u l t sa b o u tt h ep l a n sa r eo b t a i n e d t h ee x p e r i m e n ta n dt h ec o m p u t e dr e s u l t si n d i c a t e t h a tt h eb e l l l i k es u c t i o nb o x h e i g h t ( o rc l e a r a n c ef r o mf l o o r ) h a sa r e a s o n a b l er a n g e r e s u l t sm e a nm u c ht o i m p r o v e m e n to fd e s i g nt h e o r i e sa n dm e t h o d so ns u c t i o np a s s a g ea n di n c r e a s e m e n to f o p e r a t i o np e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：b e l l l i k es u c t i o nb o x ，f l o wf i e l d ，n u m e f i c a la n a l o g u e ，e x p e r i m e n t 扬州大学硕士学位论文 4 口 a o e , e s n ，几p ”甜、b b c l 、c 撕c 3 e 、c u 印 d 、d d d o d l d ， e f 、f f ( 酞6 _ g 凰h 日 l 垃 玩 日 i 、j i 足 七 三、， 从坍 符号表 面积 任意矢量 有限体积法网格节点影响系数 宽度 k - e 模型经验系数 比热容 直径 水泵叶轮直径、当量直径、扩散传导系数 水泵座环直径、进水流道出口直径 喇叭口直径 导水锥底直径 能量 力、体积力、质量力 单位对流质量通量 湍动能生成率 重力加速度 高度、水深、扬程 扬程 喇叭管高度 喇叭管悬空高度 吸水室、出水室高度 流道进口、出口高度 网格下标、张量下标 内能 动能 湍动能、传热系数 长度 质量 何钟宁：大型泵站钟形进水流道三维数值模拟与试验研究 j 行 h 、蓐 p 、p p p q g r 、， ，、0 、2 r r s 瓯v n c 、p 、nj k 日 j h 、 蜥 嘶( 净1 、2 、3 ) 甜、v 、， l 厶、u o , w 玑v 圪 x 而o = 1 、2 、3 ) x 、y 、z p 。 p r t 且 r e a 、口、0 模型参数下标 法向单位矢量 压力 功率、势能 原型参数下标 流量 单宽流量 半径 圆柱坐标系下的坐标 温度 时间 广义源项 各种源项 长度、面积、阻力系数 速度矢量 时均速度 笛卡尔坐标系下沿i 方向速度分量 笛卡尔坐标系下的速度分量 笛卡尔坐标系下的速度分量 速度、体积 流速分布均匀度 位移、长度 笛卡尔坐标系下i 方向坐标 笛卡尔坐标系下的坐标 湍动m a t h 数 p c c l e t 数 湍动p m n d t l 数 摩尔气体常数 雷诺数 角度 x 扬州大学硕士学位论文 d r 、j h 6 u s r p 肛 f 、野 p 仃ho e 盯 f 功 妒、毋、庐 l f ， v 亚松驰因子 热膨胀系数 广义扩散系数 表示变化量的符号 绝对糙度 水力损失 k r o n e c k e r d e l t a 克罗内克尔符号 湍动能耗散率 效率 速度加权平均角 动力粘度 湍动粘度 ( - v 平面的坐标 密度 胁模型系数( p r a n d t l 数) 总体标准偏差 切应力 雷诺切应力 通用变量、时均值及脉动值 流函数 角速度、旋度 散度符号 何钟宁：大型泵站钟形进水流道三维数值模拟与试验研究 一1 第一章绪论 新中国建立以来，水利事业发展迅速【”，其中对跨流域调水和大范围排洪除涝 起决定性作用的大型泵站的发展更是突飞猛进。从上世纪六十年代初至今，特别 是上世纪7 0 8 0 年代，我国在江苏、湖北、湖南、广东、安徽、山东等地区相继 建成了三百余座大型泵站，形成了以大型泵站为骨干的抗洪除涝以及跨流域调水 工程体系闭。以大型泵站为支柱的机电排灌事业的发展有力地提高了我国抗御自然 灾害的能力，促进了国民经济的发展，对保证我国农业生产的稳产高产起到了关 键性的作用，同时对全国城乡抗洪抢险以及城市供水、交通航运、工矿企业等国 民经济各部门的发展起着举足轻重的作用，为经济建设又快又好地持续发展提供 了坚实的物质保证和有力的基础支撑。 大型泵站高效稳定地发挥效益与很多因素有关，其中良好的水流条件是一个 重要的因素。水流流态特别是进水流态直接影响到水泵的正常运行，恶劣的进水 流态能引起水泵效率的下降甚至引发严重的空蚀破坏。特别是大型轴流泵站，流 道相对较短，进水流场不均匀会造成水泵进口流速与压力分布不均匀，极易引起 水泵效率下降并产生振动、噪声和空蚀破坏【2 卅。开展泵站进水流道内流场的研究 有助于探求水泵进水流态的变化规律并改善水泵的进水条件，提高装置效率及安 全可靠性。本文采用数值模拟计算和物理模型试验相结合的方法对钟形进水流道 内流场及特征断面流速场进行多方案比较研究，探讨了悬空高与钟形进水流道水 力特性的关系，提出了合理的悬空高方案。研究成果对完善大型泵站流道型线三 维优化水力设计理论具有重要意义，对提高该类泵站的安全可靠性与高效经济性 具有较好的指导意义与实用价值。 1 1 大型泵站进水流道基本形式及水力特点 1 1 1 进水流道基本形式及应用 大型泵站为获得较好的进水流态和尽量减少工程投资，通常将进水池和吸水 管合二为一，采用专门设计的进水流道嗍。进水流道有多种形式，如肘型进水流道、 2 扬州大学硕士学位论文 斜式进水流道、钟形进水流道、簸箕型进水流道等。各种进水流道尽管形式不一， 但都是泵站前池与水泵叶轮室之间的过渡段，其作用无非是使水流从前池进入水 泵叶轮室时更好地转向和加速，以便满足水泵叶轮室迸口所要求的水力设计条件 m 引。 肘型进水流道应用于大型立式轴流泵或导叶式混流泵，其形状与水轮机尾水 管相近，在我国大型泵站中应用最早、最广泛，在设计、施工方面已比较成熟， 近年来我国学者认识到肘形流道一维流动设计理论存在的问题，开展了一系列针 对肘形流道内流场流态特性的深入研究， 理论的发展。肘型进水流道单侧进水，为 保证水泵入口速度均匀，水流在流道异形 弯曲段转弯调向需有足够的长度，因此流 道高度较大，流道型线也较复杂，其主要 特点是单侧进水，水流急骤垂直转向调整， 流道高度较大而宽度较小，水力性能较好， 缺点是流道高度较大，因此会增加纵向挖 推动了肘形进水流道三维优化水力设计 图1 1 肘形进水流道 深，增加土建工程量。肘形流道在我国大型泵站中应用较多，如江都站、淮安站、 淮阴站、临洪站等。 斜式进水流道配套应用于斜式轴伸泵装 置，按水泵轴线与水平线的夹角般分为4 5 。、 3 0 。和1 5 。三种形式，以适应不同的水泵装置 扬程。斜式进水流道的水力性能优异、形状简 单、土建投资省，但需解决齿轮箱和轴承制造 质量等问题。8 0 年代以来斜式轴伸泵在我国逐 步得到应用：1 9 8 6 年，上海水泵厂从日本荏原 图卜2 斜式进水流道 公司引进4 5 。斜式轴伸泵装置全套技术为内蒙古红圪卜泵站制造了6 台直径2 , 5 米斜式轴流泵；随后我国自行研制开发的1 5 。和3 0 。斜式轴伸泵装置分别运用于 湖南铁山嘴排水泵站和江苏新夏港泵站；此外，太湖流域综合治理工程中的浙江 盐官泵站和上海太浦河泵站也采用了斜式轴伸泵装置。 何钟宁：大型泵站钟形进水流道三维数值模拟与试验研究 三 钟形进水流道由进口直线段和蜗形吸水室组成。流道利用蜗形吸水室和导水 锥结构获得四周环向进水的流态，水泵入口速度加权平均角度较接近9 0 。，且水 力损失相对较小，流道水力性能较好。钟形进水流道的显著特点是高度较小唧( 日 本巨木克池排水泵站【10 】上吖d - - 1 0 3 、三 乡排水泵站h d = o 8 7 、小名木川排水 泵站月d = 0 8 2 ，- 和d 分别为泵房底 板到叶轮中心高度和叶轮直径) ，可降低 泵站土建工程投资，对于站址地质条件较 差的泵站具有特别重要的意义。近年来， 圈1 - 3 钟形进水流道 钟形进水流道在我国大型泵站中得到了较广泛的应用，特别是在低扬程排水泵站 中钟形进水流道与箱涵式出水流道匹配组成泵装置，站房纵剖面布置更紧凑，机 组可采用整体吊装，安装检修方便，成为一种较新颖的布置方案。钟形进水流道 的缺点是形状复杂，施工不便，且流道宽度较大，对宽度的要求非常严格，设计 不当，易在流道内产生涡带。钟形进水流道早期在日本的一些大型排灌泵站应用 较多，从7 0 年代起，在我国的大型泵站建设中也得到了较多应用，如湖南坡头泵 站、湖北新沟泵站、罗家路泵站及江苏临洪西站、皂河泵站等。 簸箕型进水流道因流道形如簸箕而得 名，在荷兰等欧洲国家应用广泛，大、中、 小型泵站都有应用，已有7 0 多年历史。这 种流道型线简单，施工方便。近几年来， 簸箕形流道在我国也开始得到应用。上海 郊区首次将这种流道应用于小型泵站的节 能技术改造，江苏的刘老涧泵站首次将这 种流道应用于大型泵站。簸箕形流道在基 本尺寸方面与钟形进水流道比较接近，其 图1 4 簸箕形进水流道 流道特点也是高度较小而宽度较大，挖深在肘形流道和钟形流道之间，对宽度的 要求没有钟形进水流道那样严格，也是一种较好的进水流道形式。 4 扬州大学硕士学位论文 1 1 2 进水流道基本水力特点 大型泵站进水流道形态优劣决定于其 内在的水动力学特性。根据水动力学特性进 水流道可分为单面进水和四面进水两大类 型【1 1 】。水流从一个方向直接进入水泵叶轮 室，称为单面进水。单面进水流动的主要特 征在于水流只是简单地转向和加速，肘形进 水流道和斜式进水流道都属于单面进水的 图i - 5 肘形进水流道流场图 流道。肘形进水流道与斜式进水流道的几何特征一致，不同之处仅在于肘形进水 流道水泵轴线与水平线的夹角为9 0 。，而斜 式进水流道水泵轴线与水平线的夹角则为 4 5 。、3 0 。和1 5 。肘形进水流道转向角度 最大，受离心力影响最大，调整流速分布所 需空间也愈大，因此挖深亦最大。斜式进水 流道水泵轴线与水平线的夹角小，所需挖深 亦小。图1 5 所示为肘形进水流道主断面内 图1 - 6 斜式进水流道流场图 的基本流态。在流道直线段流态平顺，流速逐渐增大；进入弯曲段后，水流迅速 改变方向并加速，靠近内壁处的水流流向的改变尤其剧烈，流速明显大于外壁处 流速。由于强烈的侧收缩，在流道弯曲处未出现脱流。在圆锥段内，由于惯性力 的强烈作用，较大的水流速度开始出现在流道外侧壁附近，经过圆锥段的短距离 调整，在接近流道出口处，水流趋向于均匀分布。图l _ 6 显示斜式进水流道主断面 内的基本流态。从流场图可知斜式进水流道由于转弯角度小、水流所受离心力小， 流态非常均匀平顺。 四面进水指水流在进入叶轮室以前在流道内向喇叭管的汇集。钟形进水流道 和簸箕形进水流道都具有这样的特点。这两种流道的主要特征是在流道出口( 水 泵叶轮室前) 都有喇叭管。四面进水的进水流道要求流道有足够的宽度、一定的 后壁空间和适宜的悬空高，以便水流尽可能地通过喇叭管与流道底板之间的空间 从四面进入喇叭管。水流在经过9 0 。转向进入喇叭管以后，流场还比较紊乱，必 须充分利用喇叭管进行流场调整。钟形进水流道的基本流态如图1 7 所示。由流场 何钟宁：大型泵站钟形进水流道二维数值模拟与试验研究 5 图可见，由于钟形进水流道的高度很低，同时有较大的宽度和后壁空间，从而迫 使水流从四周进入喇叭管。图1 8 所示为簸箕形流道内的基本流态。由流场图可见， 尽管流道底部向上翘起，但由于悬空高度较低，且有较大的宽度和后壁距，水流 一 国 图l 7 钟形进水流道图 图1 - 8 簸箕形进水流道图 1 2 大型泵站钟形进水流道研究概述 大型泵站一般属于较重要的大中型工程，其安全可靠和经济高效必须得到保 证。大量研究表明泵站特别是大中型泵站运行的可靠性、经济性与水泵的进水条 件紧密相关，水泵的进水流态问题因此受到高度重视。国内学者刘超、汤方平【1 2 1 等对开敞式进水池三维紊流场的研究进一步证实进水流场流念特性与水泵工作性 能好坏直接相关。刘超u 劭等运用紊流数值模型模拟开敞式进水池三维紊流场，计 算结果显示当水流从四周流向进水喇叭管口时，在喇叭管口下方有一奇点区，流 动连续性在此区域被破坏，漩涡由此产生。清华大学张波涛1 1 3 】等运用p i v 系统测 量封闭式水泵吸水池的内部流场，测量结果表明在吸水管中心位置，湍动能最大， 极易产生漩涡和涡带，这与紊流理论计算结果一致。相关的研究f 1 4 】还表明水泵进 水池内部流场非常复杂，特别是水泵吸水管周围分布着十分复杂的涡带，涡带的 存在直接影响到水泵的性能。目前普遍认为对于大中型泵站将进水池和进水管整 合为连贯一体的进水流道是大中型水泵进水流态问题切合实际的解决方案。 对大型泵站进水流道的深入研究开始于上世纪9 0 年代初对水泵进水流场的数 值模拟计算及相应的流道型线三维优化水力设计理论的建立。我国学者刘超【l ”、 陆林广【l6 】等对水泵进水流场基本流态的研究为大型泵站流道型线三维优化水力 设计理论建立了基础，并根据进水流道水动力学特性提出进水流场基本流态的概 念】，将进水流道形态从流道内在流体动力学特性上进行分类，建立起以流体动 6 扬州大学硕十学位论文 力学为理论基础，以c f d 数值模拟计算为主要研究手段辅以物理模型试验的研究 新思路。 水泵进水流态研究目前已从定性分析发展到量化分析的阶段。水泵进口断面 流场均匀性是反映水泵进水条件优劣的一个重要依据。陆林广等根据轴流泵转轮 设计的两个要求即叶轮室进口断面流速应均匀分布和流速应垂直于该进口断面， 提出了反映水泵进口断面流场优劣的量化指标参数：流速分布均匀度和速度加权 平均角度l l 驯。水泵进口流场优化指标参数的提出极大地推动了水泵进水流道优化 研究从定性分析到量化计算的进程。 大型泵站进水流态的研究通常采用数值计算模拟与水工物理模型试验两种方 法【l 。数值模拟( 数值试验) 与模型试验相比具有花费少、周期短、信息完整、 可直接对原型进行计算等特点。随着计算机技术的发展和c f d 软件的完善，人们 越来越重视采用数值模拟的方法来预测水流流动。随着计算流体力学研究的深入， 以三维湍流流动理论为基础借助先进的流体计算软件进行流动计算与研究在工程 设计中已有相当程度的应用。目前三维紊流数值模型被广泛运用于泵站进水流场 特别是钟形i l9 1 、簸箕形等复杂型线流道内流场的数值模拟。陆林广等根据数值模 拟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，根据此种分类钟 形进水流道属于典型的四面进水流道形式，此分类清晰地揭示出钟形进水流道的 流体动力学基本特征和必然具有的高度低、宽度大的边界特征。刘超、陆林广等 指出由于钟形进水流道的高度压得很低，同时有较大的宽度和后壁空间，从而迫 使水流从四周进入喇叭管，这一特征与开敝式进水池内的流动具有异曲同工之处。 皮积瑞、丘传忻等通过对不同形式进出水流道组合的试验研究，认为从降低工程 造价、改善水泵进口流态、提高装置效率出发，钟形进水流道是大型轴流泵站值 得推荐的流道形式 2 0 - 2 2 i 。陈松山【2 3 j 、成立等通过数值模拟提出在喇叭口下加设 导水锥结构将箱涵式双向进水流道改为钟形进水流道可消除喇叭口下附底漩涡， 改善流道出口处的速度均匀度。陆林广、汤方平在数值模拟计算的基础上提出钟 形进水流道最优水力设计准则【”1 。 物理模型试验是解决复杂流体力学问题的有效手段，所得结果真实可信，同 时可为理论分析与数值计算分析提供必要的基础。对泵站进水流态的研究，可根 何钟宁：大型泵站钟形进水流道三维数值模拟与试验研究 一7 据其水力参数进行水工模型试验，研究其进水流态特性，确定相应的流态改善措 施和方案。田家山等人通过典型物理模型试验对泵站前池水流特征、进水流态紊 乱危害及其改善措施作了较为详尽的阐述。徐辉等瞄】对泵站不良进水流态下水泵 性能的变异作了研究分析，提出水泵进水池内部流动是典型的有较强涡漩的三维 紊流，尤其在水泵吸水管进口区域三维紊动特性更加明显，指出采用物理模型模 拟流场，仪器实测以探明该区域三维流动意义非常重大，但存在很大难度。张波 涛等应用p i v 技术实测了封闭式水泵吸水池内部流场，指出吸水管中心位置湍动 能与漩涡易生的关系 1 3 1 。李小明等利用p 技术对水泵吸水池流场进行了实测分 析【2 7 1 。李大亮利用三维p w 技术对开敞式进水池内部流场进行了实验研究，在三 维p i v 测量方面做了有益的尝试网。我国学者仇宝云【舯5 1 深入研究了五孔探针测 量系统测量水泵进水流场问题，系统地分析了探针测流的动力学特性，建立了五 孔探针测量水泵内部流场的理论基础。仇宝云利用五孔探针测量系统对江都抽水 站多机组的实测研究指出采用弯曲进水流道的大型立式轴流泵，其叶片进口断面 流速分布具有不均匀、不对称、非轴向的水力特征 3 6 】。 1 3 本文研究内容及意义 1 3 1 本文研究内容 本文主要研究内容有： ( 1 ) 对钟形进水流道运用三维建模软件( a u t o c a d 、g a m b i t 等) 构建三维流 动计算数学模型。采用雷诺平均纳维一斯托克斯方程和k - 湍流模型，运用 s i i v i p u 犯算法，对钟形进水流道进行多方案的三维流动计算。 ( 2 ) 对钟形进水流道数值模拟计算结果进行多方案的分析研究，考察流道的 整体流态情况，对流道各纵、横特征断面的流场进行分析比较，并引入评价函数 ( 流速分布均匀度、流速加权平均角度) 重点对水泵进口断面流速场进行量化分 析，以便获得最优水力要素下的流道悬空高等型线参数值。 ( 3 ) 构建钟形进水流道物理模型测试系统，制作与数值模拟计算等比多方案 扬州大学硕士学位论文 物理模型。应用模型测试系统对钟形进水流道特征断面流速场进行多方案实测， 并对比验证数值模拟计算成果，以便进一步改进完善大型泵站流道型线三维优化 水力设计理论。 1 3 2 本文研究的意义 大型泵站在我国跨流域调水和大范围排洪除涝中起着决定性的支柱作用。良 好的水流条件是大型泵站高效稳定地发挥效益的重要因素。水流流态特别是进水 流态直接影响到水泵的正常运行，恶劣的进水流态会引起水泵效率的下降甚至引 发严重的空蚀破坏。特别是大型轴流泵站，因其流道相对较短，流道进水流场不 均匀会造成水泵进口流速与压力分布不均匀，极易引起水泵效率下降并产生振动、 噪声和空蚀破坏。开展泵站进水流道内流场的研究有助于探求水泵进水流态的变 化规律，优化水泵进水流道型线从而改善流道水力性能，提高泵站整体效率及安 全可靠性。 文献资料【4 】表明钟形进水流道利用蜗形吸水室和导水锥结构可获得四周环向 进水的流态，水泵入口速度加权平均角度较接近9 0 。，水力损失相对较小，流道 水力性能较好。从降低工程造价、改善水泵进口流态、提高装置效率出发，钟形 进水流道是大型轴流泵站值得推荐的流道形式。国内外对钟形进水流道已有相关 研究，但其成果在许多方面存在很大争议，如对工程造价影响最大的流道高度国 外某些资料表明可以很底，但国内的设计经验与之相异。对钟形进水流道高度影 响很大的参数之一是喇叭管悬空高，本文着重于喇叭管悬空高的多方案研究，目 前未见有该方面的相关研究报道，因此开展此项研究对完善大型泵站流道型线三 维优化水力设计理论具有重要意义，其成果应用推广将产生较好的经济效益与社 会效益。 何钟宁：大型泵站钟形进水流道三维数值模拟与试验研究 一9 第二章湍流基本理论 2 1 湍流基本特性及湍流研究概述 2 1 1 湍流基本特性 流体试验表明，当r e y n o l d s 数小于某一临界值时，相邻流层的流体互不混掺， 彼此按层有序地平滑流动，这种流动称作层流( 1 a m i n a rf l o w ) 。当r e y n o l d s 数大于 该临界值时，会出现一系列复杂的变化，最终导致流动特征发生本质变化，流动 呈无序的混乱状态。此时，即使边界条件保持不变，流动也是不稳定的，速度等 流动特性都随机变化，这种状态称为湍流( t u r b u l e n tf l o w ) 1 - 3 。湍流流动是自然界 常见的流动现象，工程问题中的流体流动往往处于湍流状态，因此，湍流研究一 直被研究者高度重视。但由于湍流本身的复杂性，直到现在仍有一些基本问题尚 未解决。 图2 一l 是在湍流状态下流场中某点速度随时间的变化情况，二是平均值，“是 脉动值。可以看出，流速的脉动性很强。湍流的脉动现象对工程设计有直接影响， 压力的脉动会增大建筑物承受的瞬时载荷，并有可能引起建筑物的有害振动：脉 动压力较大的负波峰会还可能增加水轮机、水泵等水力机械发生空化的可能性 l 图2 1 实测湍流速度的脉动现象 【l 硼。 观测表明，湍流带有旋转流动结构，这就是所谓的湍涡( t u r b u l e n te d d i e s ) ， 简称涡( e d d y ) 【3 】。从物理结构上看，可以把湍流看成是由各种不同尺度的涡叠合而 成的流动，这些涡的大小及旋转轴的方向分布是随机的。大尺度的涡主要由流动 的边界条件所决定，其尺寸可以与流场的大小相比拟，它主要受惯性影响而存在， 1 0 扬州大学硕士学位论文 是引起低频脉动的原因：小尺度的涡主要是由粘性力所决定，其尺寸可能只有流 场尺度的千分之一的量级，是引起高频脉动的原因。大尺度的涡破裂后形成小尺 度的涡，较小尺度的涡破裂后形成更小尺度的涡。在充分发展的湍流区域内，流 体涡的尺寸可在相当宽的范围内连续变化。大尺度的涡不断地从主流获得能量， 通过涡间的相互作用，能量逐渐向小尺寸的涡传递。最后由于流体粘性的作用， 小尺度的涡不断消失，机械能就转化( 或称耗散) 为流体的热能。同时由于边界的作 用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就构成了湍流运动l l “。流 体内不同尺度的涡的随机运动造成了湍流的一个重要特点物理量的脉动。 2 1 2 湍流研究概述 湍流是空间上不规则、时间上无秩序的一种非线性流体运动，这种运动表现出 一种高度复杂的三维非稳态、带旋转的不规则流动状态。湍流流场充满着尺度大 小不同的漩涡，大的漩涡尺度可以与整个流场区域相当，而小的漩涡尺度往往只 有流场尺度千分之一的数量级。由于流场中大小不同的漩涡不断产生和消失，相 互之间强烈混掺，使得湍流流场中的物理量表现出脉动性质，具有极强的不规则 性和随机性。自从1 8 8 3 年发现湍流流动现象以来，关于湍流发生的机理、湍流的 结构及湍流流动基本规律的研究一直是流体力学和传热学所关注的重要内容。由 于湍流本身的复杂性，直到现在仍有一些基本问题尚未解决。 2 0 世纪由于周培源等一批杰出学者对湍流理论的贡献，近代湍流的研究有了 长足的发展，主要体现在2 0 世纪6 0 年代湍流研究的三大突出进展【3 】= 第一、切变湍流中的大尺度拟序结构的发现。b r o w n 和r o s h k o 在湍流混合层 中观察到拟序的展向涡结构。在充分发展的湍流中，这种拟序结构是产生湍流脉 动的关键机制。 第二、在确定性非线性微分方程中可以获得渐近的不规则解，即混沌现象。 l o r e n z 从截断的n a v i e r - s t o k e s 方程中发现了在一定参数范围内热对流过程中的异 吸引子，它具有宽带频谱的不规则运动。混沌现象的发现说明有结构的不规则运 动可以是确定性非线性微分方程本身的性质。具体地说，即牛顿流体的湍流运动 是n a v i e r - s t o k e s 方程在高r e y n o l d s 数条件下的不规则解。 第三、超级计算机的应用和湍流直接模拟。2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代初，当 何钟宁：大型泵站钟形进水流道三维数值模拟与试验研究 一1 1 时最大的计算机只能模拟低r e y n o l d s 数下的简单湍流。2 0 世纪下半叶，湍流统计 模型也有了较大的发展，随着计算机技术和计算流体动力学的日益改进，使得复 杂流动的数值模拟成为工程设计中的重要工具之一，准确的湍流模型成为数值预 测的基础。 湍流问题有各种形式。总体上可以分为两大类，即剪切湍流( t u r b u l e n ts h e a r f l o w ) 和各向同性湍流( i s o t r o p i ct u r b u l e n c e ) ，前者具有时均流速梯度，后者完全 不存在时均流速梯度。按照湍动产生及运动情况的不同，剪切湍流又可分为近壁 湍流( w a l lt i l 】出1 1 1 e n c e ) 和自由湍流( f r e et u r b u l e n c e ) ，前者指有壁面存在的情况， 如河床湍流，即明渠和管道中的湍流，以及壁面边界层湍流等等。自由湍流则指 不受壁面影响的湍流，如射流和尾流等t a q 。 作为现代流体力学重要组成部分的湍流，与许多科学技术领域都有直接或间接 的关系。在水利工程中，湍流更是一个关键问题。正是由于这个问题的重要性， 近百年来，许多学者对湍流问题进行了大量的试验和理论研究。从上个世纪开始， 同时发展着两种理论，即统计理论和半经验理论。统计理论采用较严格的统计途 径，着重研究水流的内部结构( 脉动结构) ，而半经验理论在通过对脉动结构做出 某种假定后只着重研究时均流的运动规律。由于湍流结构的复杂性，在运用统计 理论解决剪切湍流方面存在着很大困难，致使该理论目前还主要局限于研究均匀 各向同性湍流这一最简单情况。而半经验理论已能初步解决工程技术中遇到的许 多剪切湍流问题。但是，由于没有很好地解决湍流内部结构问题，半经验理论的 应用范围和解决问题的深度，都受到很大限制。这两种理论又有某些共同的方面。 严格地说，这两种理论都是统计的，因为在这两种理论中都必须使用统计平均值， 否则就无法进行任何数学力学分析。这两种理论在某种程度上又都是半经验的， 因为未知数的数目多于方程式的数目，一般都必须在分析总结试验成果的基础上 做出一些假定，即建立补充关系才能求解。因此这两种理论都具有一定的统计性 质和半经验性质，但是在程度上存在差别【i 叫。 尽管湍流流场表现出极强的不规则性和随机性，但它仍然是粘性流体的一种 运动形式。湍流流场中的物理量在每一瞬间仍然必须满足质量、动量和能量守恒 1 2 扬州大学硕士学位论文 定律，湍流流体作为牛顿流体仍然必须满足流体力学基本方程。因此，从数学角 度讲，只要给出相应的湍流边界条件和初始条件，湍流问题的数值解完全可求。 然而要正确反映湍流的流场信息，空间网格划分至少要跟小漩涡的尺度相当，时 间步长也要反映出其高频脉动。这种空间网格划分和时间步长对计算机内存和运 算速度的要求都非常高，使得目前的计算机技术还难以承受。况且，从工程应用 角度讲即便获得这样的湍流流场数值解也并不具有多大的实际意义。因为工程技 术人员真正感兴趣的是流场中有关物理量的宏观平均效应，因此，工程中多用平 均值方法来描述和求解湍流问题。 2 2 湍流时均方程 湍流研究中获取平均值的方法很多，包括时间平均值法、空间平均值法和概 率统计平均值法等。工程上较多采用的是时间平均值法( 时均值法) 。时均值法是 按某指定空间点上湍流运动量瞬时值在某时段上平均，适用于乎稳随机流场。采 用时均值法时，湍流流