（水利水电工程专业论文）城市排水泵站侧向进水集水池水力特性研究.pdf

涌海太学硕士学位论文 摘要 城市排水泵站常年运行的流量变化一般很大，配泵机组台数较 多，为节省占地面积，常采用布置较紧凑的侧向进水方式。对侧向进 水集水池，一般会出现同沲各水泵酩水不均匀，沲内流态紊乱、水泵 吸水条件差，继而薄致水泵效率下降、杌缢振动等问题。本文结合上 海市污水治理三期工程汶东路泵站水力特性研究课题，探讨了改蛰穗 囱进承集永波水力特性懿途径与方法，提蹴了鸯效熬整流、均流撬施。 本文提感了改善侧鹈遴求集承池水力特性鲶嚣秘技术方案，靼配 东魏方案与滚螬式瓤承方案。对每一； 孛技术方寨，应用数值模拟试验 与水力物理模型试验相结合的研究方法，垒匿细致地研究了侧向进水 篡水池的水力特性。研究成果对改善侧向进水城市排水泵站水力特 性、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。 关键谲；泵站；铡囊进水；水力特性；数毽模拟；水力模型试验 涌海大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt 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 t h es i d e i n l e ts u m p o f u r b a n d r a i n a g ep u m p i n g s t a t i o n a b s t r a c t t h e r ea r em a n yu n i t si na nu r b a nd r a i n a g ep u m p i n gs t a t i o nw h e r e t h ef l o w u s u a l l y v a r i e sf r o ms e a s o n 。t h es i d e * i n l e ts u m pi so f t e n d e s i g n e d t os a v et h ea r e ao ft h ep u m p i n gs t a t i o n t h ef l o wo fe v e r yp u m pi s i n c l i n e dt ob ed i f f e r e n ti nt h es a m es i d e i n l e ts u m pa n dt h ep o o rf l o w p a 拄e r n , a n dt h e nt h e i n l e tc o n d i t i o no ft h ep u m pi sn o tg o o d ，w h i c h m a k e st h ee f f i c i e n c yo ft h ep u m p d r o p a n dc a u s e sv i b r a t i o ne t c b a s e do n t h et h e s e so nt h eh y d r a u l i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ew e n s h u ir o a dp u m p i n g s t a t i o ni nt h et h i r dp e r i o d s h a n g h a id i s p o s a ls e w a g ep r o j e c t ，t h e m e t h o d sw e r ed i s c u s s e dt oi m p r o v et h ef l o wp a t t e mo fs i d e - i n l e ts u m p ， a n dt h em e a s u r e sw e r ep u tf o r w a r dt oa m e l i o r a t et h ef l o wp a t t e mi nt h e p a p e r t w ok i n d so ft e c h n i c a l a p p r o a c h e s ，t h ea p p r o a c h o ft h e d i s t r i b u t e - h o l e sa n dt h ea p p r o a c ho f t h el a u n d e r , w e r ep o i n t e dt oi m p r o v e h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c so fs i d e i n l e t s u m p i nt h e p a p e r f o r e a c h a p p r o a c h ，am u c hm o r et h o m u g hs t u d y w a sm a d eo nt h e h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h es i d e i n l e ts u m p b y t h eh y d r a u l i cm o d e lt e s ta n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ec o n c l u s i o n sf r o mt h ep a p e rw e r ev a l u a b l ei n i m p r o v i n gh y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c so f t h e u r b a nd r a i n a g e p u m p i n g s t a t i o n w ns i d e i n l e ts u m p k e y w o r d s ：p u m p i n gs t a t i o n ；s i d e i n l e t ；h y d r a u l i c c h a r a c t e r i s t i c ； n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；h y d r a u l i cm o d e l t e s t 溺海夫学礤掌毽论文 第一章绪论 重1问题的提嫩 承聚炼楚纛爱动力辊鞣韵农莱遴孬藏寒、璞筑，莠遽遂一篆裂建襞麓瀵行 输、配承豹工糕设藏。我鬣糨曼辽凝，囊然慕姊莲吴大，随麓工焱效囊产熬发 展、人隐生活水平的提高釉科学技术的进步，聚站建设的特点是速度快、类型 多、规模大、激围广。已建成的大砸积泵站摊灌地区寄江浙的长江三角洲、潮 露鹃濑庭潮、灏l l 羹泼汉平原、广寒惑爨漫三麓爨、荔憩麴爨下海遮送及磁鼙 灌嚣等。泵站王程俸必一门襁对独立的学释，融取褥了较大煞进步朔日益的完 善。当前泵站工程的建设，程农田灌溉和排涝、跨流域调水、城市给排水、工 矿企强供水及循环永、捅东瞽髓、输油管燕爨激船坞裁 零等鬏域巾发挥蓑露丈 蕊释瘸，取簿了显著熬经济效菇。 泵站静用途各有差异，侄其建筑耪缎藏蒸本糖簿，一般蠢：联窳、雩l 承建 筑物、前池及祭水池、泵腾、出水、澄永及分水建筑物，加上变电辩，道路交 遴及辫满建筑携等1 】麟。蕤孛，集水浊与弓| 瀑越擐接段羚为翦浊【3 】，爨水池鹱是 供水泵意接碾求的建筑物。集水池中的流态，对水泵骥水性能及漱置效率影响 蒺大，焚荬是爨蠹避窳集零漶，末滚滚拳萋熬，甏痰垮匀整萋落戳得蘩| 瀵跫。 瓣予擦灌泵站，一簸瓣粟怒缆患遴拳形式的熬承涎，帮分泵站囱予是然条锌戆 限制激用了侧向进水彤式，常见的侧向进水彩溅有以下两种1 4 ( 圈1 1 ) 。 q b 窝1 1 侧漪进承摊灌泵站榘水漶酌两种蒸本形式 ( 8 一繁支渠的捌角进水b 一单侧恕进水) 莓一章缝论 聚站采用侧向进水时，水流与集水池轴线成一定角度，易引超主流脱壁、 漩涡及螺旋流动等现象，姆致泵站集水池内流速在横向和纵向严嫩分布不均匀， 多机缀运行时各泵的配水健能差，甚至在流邋谶口产生漩涡，影响机组的安全 运行。赞对测自送承集求滚滚态不佳豹特煮，久锶提塞了多秘鸯效的工程爨薤， 诸麴设梯形底坎翻、加聪承援 6 l 7 】、配水飘潮、阪及导流墩热潜檄【9 1 等等。采取 这些工程措施的目的就怒通过改变水流的边界条件或增加水流局部阻力以达到 调整泉水池水流的整体水力特性。在一个具体正程中采用哪一种改善措施以及 所采髑鲍水工建筑物的大小及形状，则需娶邋过模型试验并进褥几组方案的对 魄试验才藐确定。 = 葭城市给水、排水工程中，水泵站是其煎要的组成部分。丽城市给、排水 泵站岛排灌泵站不同，往往受地形、用地的限制，布置要求结构紧凑，集水池 扩散段捷往较短，水流难以均匀扩散，易形成回流、旋涡等不良流态，从而影 瞧窳袋羧零，遥残戆滚滚烫，甚至雩l 起噪声、振动帮汽疆等王芟象l l 翻，影响瘩泵 正常运行。许多城市擗水多机组泵站往往为了节省占地，采用了侧向进水的形 式。 拟建盼上海市汶水膝污水泵站是上海市污水治理三期工程的霪点工程之 。僚予汶零鼹铡、鑫泾瀵嚣铡，占蘧约6 0 0 0 m 2 ，与寿强嚣窳系统汶承爨舔 水浆站合建。泵站选蠲l o 台潜水离心裘，荜泵流量q = 8 0 0 1 1 5 0 1 s ，扬程 h = 1 8 5 1 0 3 m ；旱季时开7 台水泵，单泵流摄q = 1 1 0 0 1 s ，扬程h = 1 1 5 m ，配 泵总流量q = 7 7m 3 s 雨零时开9 台水泵，单浆流量q = 8 0 0 l s ，扬程h ；1 8 5 m ， 配象蕊浚量q = 7 。2 0m 3 s 。农泵出拳共采黑麓使势形式，最囊瘩健1 3 8 0 m ，最 氐水饶6 9 0 m ；近期浆麓设计流量q = 3 0 m 3 s ，旱季开3 台瘩聚，单泵流量 q = 1 1 5 0 1 s ，扬程h = 1 0 3 0 m ，配泵总流量q = 3 4 5m 3 s ；雨季时开4 台水泵，单 泵流避q = 8 5 0 1 s ，扬程 壮1 7 1 0 m ，配泵总流爨q = 3 4m 3 s ，出水高位井最高 水绽1 2 6 m ，最低水位5 7 0 m 。根据设计炎拳墨，泵站的设计运行工况见表1 1 。 河海大学硕士学位论文 表1 1 泵站设计运行工况 开泵台数水量( i s )集水池最高水位( m )高位井最高水位( m ) l7 8 8 8 94 1 l1 0 3 2 21 5 7 7 7 83 8 31 0 4 0 32 3 6 6 6 73 6 3l o 5 2 43 1 5 5 5 63 4 61 0 6 9 53 9 4 4 4 43 2 9i o 9 0 64 7 3 3 3 33 1 41 1 1 9 75 5 2 2 2 22 9 81 1 4 8 86 3 1 l _ 1 12 8 11 1 8 5 97 i 0 0 0 02 6 31 2 2 6 根据站址情况，初步布置方案如总体图1 3 所示。1 0 台污水潜水泵呈对称 布置，中间由隔墙完全分隔开。泵房占地为2 4 8 1 3 m 。泵站同时接纳汶水路 和江杨路两路污水，分别由巾2 4 0 0 m m 和巾1 6 5 0 m m 的两根污水管进入进水闸门 井，后通过一根由2 7 0 0 m m 的管道进入格栅井，分两路进入集水池，出水是经 过两个完全分隔开的高位井，通过两个与进水方向同侧1 8 0 0 m m 1 8 0 0 m m 的出 水孔流入一个3 0 0 0 m m x1 5 0 0 m m 的矩形出水箱涵。 可见，汶水路泵站有如下几个特点： l 、泵站采用侧向进水方式； 2 、机组台数多，单泵流量小； 3 、水泵运行工况复杂。 本论文针对汶水路泵站，通过汶水路泵站水力模型对侧向进水多机组泵站 集水池流态方面的研究，对改善水泵配水均匀性、提高水泵效率等提出合理建 议。从而对侧向进水泵站进水流态、进水流态对水泵效率影响等问题有了新的 认识，其研究成果具有重要的现实意义。 第一章缝论 1 2 主要研究内容 本文主要针对汶水路泵站侧向进水集水池流态方面存在的问题进行研究。 通过借鉴前人提出的解决泵站侧向进水流态的方法，运用数值模拟和物理模型 试验两种手段进行研究。本文主要就以下两种方案进行了研究： 1 、在不同的设计工况和不同的组合运行条件，对原设计的配水孔方案进行 研究。首先对集水池中水流流态进行数值模拟，同时进行物理模型试验，相互 进行校正。在此基础上提出各种可能的改进方案，通过数值计算，选出配水比 较均匀的方案，然后进行整体水力模型试验，对所计算出的方案进行验证、调 整。 2 、借鉴瑞典i t t 飞力公司提出的大阻力配水方案即流槽式配水方案进行研 究。通过对其设计方案进行计算分析，并通过物理模型试验进行研究、验证。 最终通过数值模拟指导物理模型试验来进一步完善这一配水方案。 n+ 霞蹦枯灌肾母趱n上隧 “袋牮扑书器扑k嚣嚣 第二誊强站避墩隶由特健磷窥方法 第二章泵站进水水力特性研究方法 泵站各糖进水流态毂研究懿蘸丈郄采用物理模型试验磺究蛉方法，通过蠢 接测量和观测，了解流场分布和宏观水流现缘。模型试验手段比较成熟，结果 可靠准确，但试验的成本较高、周期长，有时还会碰到些难以克鞭的困难， 臻掘进东东浚中戆旋涡、分离浚动等复杂现象，模型摆l 娃翊题等未能镊您的翳 决，测量仪器本身的误懿等都会影响试验结果的准确性。随着电子计算机的发 展和数值计算技术的进步，人们开始逐步重视采用数值模拟的方法来预测水流 流动。与物璎模型楣比较，它其套投资省、网絮矮、霹妻接对缀型进行诗算等 特点，难点在于模型的建立和边界条件的确定。目前采用三维豢流数饭模型进 行泵站避水池进水流态的研究正成为种趋势，它作为一种解决实际流态问题 熬重要工冀，嚣盏s l 超萋秀究者鹣重褪f l l i 【 2 l 。本文鄂采赐数篷模壤懿方法对铡淘 进水集水池进行计算，通过调憋建筑物的位翟、结构来调整流态，得到一组较 好的方案，在此罄础上指导物理模型试验，最终对侧向进水集水池的配水均匀 瞧警润题滋出舍璐静解滚办法。 2 1 数学模型的建立 2 1 1 数值模拟的现状及进展 在我们生活的自然环境、人造环境及工业环境中，凡涉及流体的流动几乎 全部都是紊流流动，丽綮流流动又楚一静裔废复杂的三维流动【 ”。馥觚1 8 8 3 年r e y n o l d s 发现素滚滚动现象以来，关于紊漉流动的磺究从来闻断过，但直至t 现在，仍裔一些然本问题未能解决。鼠然人们可以通过求解n a v i e r - - s t o k e s 方 程得出紊流的瞬时运动情况，但这对工程丽言没肖任何实际意义a 实际上，人 们关心弱怒滚体运动载时闽乎均篷，即嚣要求解数是时均、不霹压的n a v i e r - - s t o k e s 方程( 即r e y n o l d s 方程) 。在这个转化过稷中引入了r e y n o l d s 应力( 一 p 玩瓦) 和紊动物质通蹙( 一p u , o ) 纽i 虿解，腻丽发震产生了零方程模黧、 使得方程组不再闭合。人们为了使方程 单方程模黧、双方程禳蹙、应力一邋璧 讽海大学母ll 。学链绝交 方程模型和应力一通量代数模型等，以及根据各种模型的特点又产生了各种修 正模型。 爨扶r e y n o l d s 提出时均n a v i e r - - s t o k e s 方程以来，豢流模型得n t 不断的 发展与完善。2 0 世纪初，紊滚搂型仅限于比较篾单彀蛊观的蜻况，二战后，随 着电子技术觞发袋，近代紊流攘瀣氇发袋趁来。六、七十年代紊流模型基本上 炖二维的，直至八十年代后，计算梳技术的进步才旃紊流计箅扩展到三维，现 在最流行的就是双方程模型的k s 紊流模型及其改迸形式。相倍随蓿计算视的 进步发展，大涡模型( l a r g ee d d ys i m u l a t i o n ，l e s ) 甚至直接模拟( d i r e c t n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，d n s ) 也将会活跃于计算流体力学( c f d ) 界。 2 1 2 数学模型的基本原理 德淘进承集水沲内酌水流流动鼓奉臻主讲是水流鹃转商漉羲，即弯j 蘸东浚。 弯道水流是种滠常觅的也楚最复杂的三维水流现象，转向流动所形成前离心 力与水流惯性、重力及边壁糙率等因素综合作用，可能产生螺旋流，在一定条 件下，还可能形成脱壁流，它们是导致侧向进水泵站集水池流态紊乱的重要原 因之一，另外，对工程而言，人们关心的是流体运动的时间平均值而非瞬时值 i h 3 。针对这釉现象，数值模拟时采用三维不可压缩嚣诺平均n s 方程作为兹流 鲍控割方程i b l ，对该方程采用二方程进行 l i 台。本次计算粟用皮曩摄广泛、最 成熟的双方程紊流模型标箍k e 模型，控制方程据下： 连续方程 d u _ l ：0 a x ，( 2 1 ) 动量方稷 - 氧- z 玩- ：z 一三妻+ 眇q ) ( 要十要) 】 泛2 ) c t x p 呶ic b c m 呶5 紊动能方程( k 方稷) 掣：只十三【( v + 旦) 罢卜占 ( 2 3 ) 。x t献【g k 。x 。 第二章聚站进水水力特性研究力法 紊动能耗散率方程( e 方程) 警= c 。妻只+ 毒+ 毒卜c n 等 c z a ， 其中，瓦( f - 1 , 2 ，3 ) 为沿x i 方向的雷诺平均速度分量，p k 为紊动能产生率， 根据下式计算：只：。，( 晏+ 璺) 要，式中v ，为紊流粘性系数。在近壁处， 础c t x 麟 采用公式u ：c 。笠来计算紊流粘性系数。 标准k e 模型中的常数取为： c 。= 0 0 9 ，吼= 1 0 ，盯。= 13 ，c 。l = 14 4 ，c 。2 = 1 9 2 上述四个方程可以写成下面统一的守恒形式： v ( p 咖) = v + ( l v 妒) + s 。 ( 2 5 ) 其中，巾为具有守恒型的通用变量，当分别取( 1 ，v ，k ，) 时可以相 应得到前面四个控制方程，此时扩散系数l 和源项s 。分别取各自不同的形式。 2 1 2 1 方程的离散方法 求解微分方程的数值计算方法较多，目前较流行的有：有限差分法、有限 单元法、有限容积法和谱方法等。有限容积法具有物理概念清晰，离散方程的 系数具有一定的物理意义，并可以保证离散方程具有守恒性。缺点是不便对方 法进行数学特性的分析。有限容积法经过多年的实践检验，现在国际上著名的 c f d 软件几乎全部以有限容积法为基础发展起来的，本次计算也是以有限容积 法为基础，对n a v i e r - s t o k e s 方程中涉及的扩散项、对流项、压力梯度项及源项 采用的离散方法综合考虑。上风格式、指数格式、混合格式及幂函数格式是最 常用的离散格式1 6 1 1 ”】。针对侧向进水泵站集水池的特点，计算采用混合格式， 它是中心差分和上风格式的结合，即克服了大派克里特数时的中心差分疑难又 避免了上风格式在小派克里特数时完全忽略扩散作用的缺陷。 婀海夫譬疆学位论文 2 1 2 2 计算区域的网格划分 由于流动问题太多发生夜复杂的区域内，不舰则计算区域内的网格生成是 c f d 中懿令中分重要豹研究领域，有限绻积法中处璎不规则区域的掌月方法 有：阶梯形边界逼近真实边界、正交曲线坐标系、适体坐标系( b f c ) 、块结构 化黼格及非结构化网格等。本次计算结合p h o e n i c s 软件特点，决定采用阶梯 形边赛遥运奏实边界懿方法，这一方法款特点是筏单、方便、可以遴爝予任 罨 形状物体，对曲线边界可以采用局部加密的方法朱更好地逼i 鹾。 2 , 1 2 。3 边界条件的处理 壁两边界：原则上可以在固体壁面上规定无滑动边界条件，即时均流速和 脉动流速的各个分量均为零，耗散率s 为有限值。馋这祥裁定就妊须穗徽分 方程对糙牲底鼷积分，必将g l 起糙性底层中的速度梯度极为陡峻，为褥到理 想解答，必须在粘性底层中布置极为细密的网格点，计算费用将很昂贵；粘 性底层中，粘憔效应穰重要，不能采用只适用予商雷诺数请黼的前述各类模型 。磐决这一矛馐的办法是在糙蠼底层的羚缘规定楣疲豹边羚条件，即应蠲经 验性的边壁定律。本文采用最常用的经验定律即壁面定律： e e s 翌= 1 n e ) ( 2 6 ) 其中# 。为平行予壁嚣豹合速度：# 。为矩力速凄；y ：兰生是秃因次餐，y 跫弱羹瑟兹琵鬻，k 为专f 1 露数，e 矢表链糙率豹参数，聪承力光港嚣e 一9 。 白幽表面：由于自由表面上通常有风成剪应力，机理相当复杂，在工程计 算中，为了方便，近似简化成对称边界条件处理，各个变量在自由水面沿水深 方向魏梯度为零，帮太们繁说翡瑙盖缀是心： 入黝边界：一般将入1 3 设置农距离流道进口足够诞的地方，由此可取进口 边界为均匀流，给定流速或流量即可； 出口边界：在 骜嗣边嚣上，素动能及其耗散率可分鬟表示秀： t = 鲁一静吉) 泣， 棼二章鬟站避承瘩西特 _ = _ 麟究方潦 式中，c 。= o 0 9 ； 一般还需给定出口的压力条件。对于出口设在下游较诞处，认为流动己成 为单向状态，即下游流动状况对计算区域的榔影响很小，速度梯艘为零。 2 1 2 4s i m p l e 及s i m p l e s t 算法求解方程 求解椭灏型流动的关键是确定流场，即求解n a v i e r - s t o k e s 方程，常糟的方 法是满萋流函数法( 国一扩方法) 摹瑟压力修正方法。其中国一方法避开了 求压力豹嗣题两采翔( 醢、v 、w 、p ) 为基本变量。僵大部分承淡舞题均与压 力p 有关，p 往往是所需求解的重要变量之一，故本文采用压力修正法，但由 _ f 压力没有独立的方程，需设计一种专门的方法，以使迭代求解中压力值能不 断黉羹褥弱改遘，帮压力帮速度静藕合阖蘧，幽诧发溪鑫了s i m p l e 系翻算法： s i m p l e c 、s i m p l e r 、s i m p l e x 和s i m p l e s t 等。p h o e n i c s 软件中采用的 是s i m p l e s t 算法，计算步骤与s i m p l e 算法基本相同，只是对对流扩散 项的离散格式作了明确的蕊定：对流颁采_ 鞫j 途风格式，因为这燕一个绝对稳定 的掇式，且扩散项与对滚项的影响系数可以分离开来。至予由此弓l 起的假扩散 问题，采取逐步加密网格以获得与网格疏密程度无关解的这种做法加以克服。 另外，把邻点的影晌系数表示成对流分量c 。及扩散分量屯。之和，并把对流部 分全部归入源项，于是“。的动蘩方程为： 吼= 瓴。+ 。肿。+ + 乓( 弓一蜀) = 屯“。+ $ + j + 名。僻一磊) ( 2 。8 ) 由此可见，当扩敖项略两不计时，动量方程实际上采用了j a e o b i 的点迭代 求解。点迭代收敛速度比较慢，但是由于对流项与臌力之间的耦合关系等原因， 正希望利用这一特性以防止迭代过程的发敲。这种混合格式的计算方浚有嗣予 堤邋强烈j 线性魍题鲍遮 弋过糅收敛【”t 。 海天学碾士学位论文 2 2 物理模型试验方法 2 2 1 水力模型相似律 泵站整体水力模型试验一般均采用几何正态模型。如果采用变态水力模型， 则存在垂向各点的点流速相似常数不等于断面平均流速的相似比尺的问题，因 而不能保证垂向流速分布相似【1 9 l 。 如果选择过大的模型比，模型泵需制造成较小的尺寸，给模型制作带来困 难。另一一方面，如果模型较原型缩小倍数过大，将引起过大的比尺效应。当模 型中流速减小到一定的程度，流动特性也会发生改变，因此模型中各物理量的 大小还应保持在一定的范围内。为使模型水流限制在紊流粗糙区【2 。1 即阻力平方 区，按埃斯奈尔公式，模型线性比尺应满足。 丑，s ( 3 0 5 0 地r ，垮 ( 2 9 ) 忙鲁= 褊一a 形 r 一一a 坠! ：! ：2 4 2 m ” y1 4 十3 7 2 ，s ( 3 0 5 0 炽只，声= ( 3 0 5 0 ) ( 0 0 7 4 24 2 ) = 9 5 3 1 5 8 9 为了更好地反映出进水池内的水流状态，减少比尺效应，选取模型线性比 尺为： t = 6 ( 2 1 0 ) 泵站进水池内的水流是具有自由水面的流动，主要作用力有重力、粘性力 和表面张力，因此重力相似是首先要满足的条件。在水泵模型试验中，水流在 泵内的绝对运动是不稳定流，惯性力相似是主要的，同时也应考虑压力相似， 欧拉( e u ) 相似是惯性力相似的自然条件，这两个条件可以同时满足。至于重 力相似问题，由于泵内水流是压力流，重力所占的比重较小，而又往往难以实 现，因此可以忽略不计。 第二章泵站进永水力特饨研究方法 2 2 1 1 重力相似及阻力相似 对于侧向进水池流态试验，由于进出水池中的水流为重力流， 力相似和阻力相似。按重力相似准则，可得： 流速比尺： 。= xl 05 = 2 4 5 流量比尺： 必须满足重 ( 2 “) o = xl 25 = 8 8 1 8 ( 2 1 2 ) 时间比尺： x t = 九l o5 = 2 4 5 ( 2 1 3 ) 按照阻力相似，原型与模型进出水建筑物的糙率比尺： = l 1 坫= 1 3 5 ( 2 1 4 ) 一般泵站进、出水建筑物均为钢筋混凝土结构，其糙率为0 , 0 1 3 0 0 1 4 ，模 型进水槽、集水池等过流面采用水泥抹面，其糙率一般可达0 0 1 0 ，可以满足糙 率相似的要求。 2 2 1 2 惯性力与压力相似 对于水泵内流动力学相似，按照惯性力相似和压力相似准则，原型泵与模 型泵之间： 转速比尺： q _ n l 3 = l 2 5 = 8 8 1 8( 2 1 5 ) n - l o5 = o 4 0 8 ( 2 1 6 ) 扬程比尺： h = n 2 l 2 = l = 6 ( 2 1 7 ) 功率比尺： x n = n 3 l 5 = l 3 5 = 5 2 9 0 9( 2 1 8 ) 2 2 2 量测技术及量测精度 在进行泵站进水系统的水力特性试验时，需要对水泵装置在运行中的各种 参数进行量测，包括扬程、流量、流速、压强及功率等，相应的仪器均要满足 涸海_ 凡学碗士学位论文 测试规范的要求1 。 2 2 2 1 流量 流量的量测方法比较多，例如毕托管法、流速仪法、食盐浓度法、量水堰 法等。在本次水力模型试验中，单泵流量由安装在出水管上的z c l l 智能超 声波流量计进行量测，在回水渠中安装矩形薄壁堰对单泵流量进行比测、率定， 并量测和校验多泵运行时的总流量。 z c l - - 1 智能超声波流量计精度为1 o ，现场调校达- - + 0 5 ；即流量的 相对误差为： 6 q = 1 o ( 2 1 9 ) 矩形薄壁堰堰槽宽度o 6 0 米，测量堰口宽度0 3 0 m ，堰口至堰槽底面的高 度o5 5 5 米，测针读数误差为o 5 m m ，测量时水柱上下波动为l m m 。流量的 计算公式为： q ：d 。昙瓦6 。九 ( 2 2 0 ) 其中：口。一流量系数，用式口。= 0 5 9 2 + 0 0 1 0 - h - f _ i = + 3 9 ；b e m 堰口有效宽度 o n ) ，h 。一有效水头；h 一测量水头。 2 2 2 2 扬程 水泵的扬程由安装于水泵出口处的均压环接测压管进行读数量测。测压管 读数误差为1 m m ，同时在测压管前安装扩散硅压力变送器，对水泵进、出口 处的压力进行量测。压力变送器输出的标准信号由计算机量测系统采集。两种 不同的测量方法可互相比测校验。 压力变送器的精度为o 5 级，则扬程的相对误差为： 6h = 0 5 ( 2 2 1 ) 2 2 2 3 功率 本水力模型采用的模型泵为潜水污水泵，故难以直接测得水泵的轴功率， 试验中首先测取水泵电机的输入功率，根据电机的负载效率曲线，经计算得到 水泵的轴功率。 第二章泵站进水水力特性磺究方法 电机的输入功率通过三相有功功率变送器进行测量，三相有功功率变送器 u 测得瞬时功率。三相有功功率变送器的输入为交流3 8 0 v 和电流互感器的二 次侧电流，输出为经模数转换后能被计算机采集处理的标准电压模拟量信号。 同时，电机的输入功率用两瓦特表测量进行校核，瓦特表的精度为o 5 级。 三相有功功率变送器精度为o 5 级，故功率的相对误差为： 6n = o 5 ( 2 2 2 ) 2 2 2 4 水位 进、出水池水位均采用水位变送器进行量测，数据由计算机进行采集。同 时，在进、出水池各安装2 根测压管量测其水位，与水位变送器相互校验。并 在出水池出口处设置控制闸门，以控制出水池的水位。 水位变送器的精度为o 5 级，水位量测的相对误差为： 6v = o 5 ( 22 3 ) 2 2 2 5 流速 为了全面反映进水池中的水流流态，需对进水池中典型过流断面的断面流 速、流向进行量测。流速、流向采用光电流速仪和光电流速流向仪进行量测， 由计算机进行数据采集，可同时测得多点流速。 光电流速仪的精度为1 o ，故流速的相对误差为： 6v = 1 o ( 2 2 4 ) 祸海走学硕士擘垃论文 第三章侧向进水泵站集水池的数值模拟 汶永躇泵蘩虽羚形与取铡彝进承形式泵菇楣类酝，健由予其中闻设置突全裙 隔( 包攒进水流道，集水池以及出水高位井) 的隔墙，救其只是一种单侧向进水 形式( 见泵站布置图3 1 ) 。采用数值模拟的方法来预测水流流动与物理模型试 验裙跑较，它爨有投资省、掰赣短、可壹羧对藤黧送行模攘等优点。它作为一释 解决实琢流体阅题约麓要工其，日箍引起研究袭的重视2 2 2 6 1 。本文采用数值模 拟的方法对单侧向进水泵站集水池的配水方案进行研究，通过调懿建筑物的位 嚣、结将来调整流态，得到几种流态改善瞬显的方案，激终用物理模鍪! 试验对泵 臻单侧秘进水繁水遗懿琵水均匀性莓阀题进行验涯。 f 腻i 卜。 驯 i 帐书犁 狮黼督 庐籍眈，毽b凄。一! 。 ；8f 厂1 蠖 l 爿圳 ! 叫p 一 ? u l 一堕土= 兰兰曼。j 圈3 1 浆站布麓图 3 王配求孔方案侧向进水集水池的数值模拟 通过借鉴侧向迸水 j 灌泶站集水池流态改善措施配永孔方鬃，通j 毫数模 计算豹方法，翅步译馀这一方案下豹进求滚态，找型其滤态恶劣数原因。遂褥挽 化设计时，利用数值计算进行模拟，对配水孔方案下的侧向进水集水池结构进行 调整，通过多次改进方案的对比分析，直到得出数值模拟条件下的最优设计方案。 3 。l 。l 数德模墼计算成祭 配水孑l 方寒下数值计算的数学模型布置见图3 。2 。 蒋三蕈泵站熟氲进采集水池魄数毽模拙 豳3 2 数学模型布置图 配水孔方案下，数值模拟计算所选水泵运行工况与模型试验运行工况相对 应，分剐进行了台、二台和五台水泵运行时的集永漶流态计算。箕中五螽泵运 孬怼熬袭覆滚逮分布嬲庭部流速分鸯见凰3 。3 ，1 4 、2 “执同时运行浚速分布和单 机( i4 ) 运行时的流速分布分别见图3 4 、图3 5 。 a 蓬3 ，3l ”象丽融运萼亍对流速分森强 a 、表面流速分布b 、底部流速分布 b 拇海天学碗圭豢位论文 矗 a 图3 41 4 、2 。泵同时运行时流速分布图 a 、表面流速分布b 、底鄢流速分布 霾3 。sl 壤单独遂行对浚速分毒塑 a 、袭面流速分布b 、底部流遮分布 瑟 b 从圈中可以看出各种工况下进水槽内水流均比较紊乱，童流偏离进水底孔， 造成底孔配水不均匀，尤其是集水池侧边5 8 水泵配水偏小。集水池内水流表面 存在反两流，立瑟存在鼹滚境象，嗣露露蹩整承滚滚逮忍孚凳零，怒易造袋淤积 的区域。 簿兰章惹壤嚣毒遵拳纂承滟翁数毽壤撄 钤辩懿承魏方案中努在静霜题，采取了一系裂鹣方案菇麓搿堋寨调整嚣隶缝 构，饿椭加导流板、改变底撤离程以及设鬣聪水檄、导流墩、立被嚣蹲，如其中 布置方絮( 图3 6 、图3 7 ) 。瓣提出的方案进行数值计算分析，辩附格种建筑物 魏经嚣、尺寸迸嚣塌整、诗冀。聚终魂定采敬强3 。8 鸯模型流惑糖瓣较好酌工程 接撼。 匿3 6 调整方察圈一l 匿3 7 调整方案圈一2 强3 。8 压求教数学模凝最终鸯麓墅 1 s - 海海太学硕士学位论文 优化方案对配水孔方案熬进行了以下几点改进： l 、采取澎扩梯形籀涵遴零； 2 、楚高进水槽底高程； 3 、改底孔配水为难求教进水方式： 4 、设置导滚墩( 在歪永援处黛零邀一铡热没霆袭铎滚墩) ； 5 、榘水池底部做成斜坡： 6 、调整水泵安装位置。 怼镶纯方索豹各零孛工况遴孬载诗算结果见蜀3 。9 。 a 纛台泵运纷表匿、底部流迷瑟 b 台泵邀行表面、底部流速图 圈3 9 优化方案流速分布图 a 五台泵运行表面、底部流速闰 b 一臼泵运行表面、底部流速图 瓜图中可以看出，增加聪水板、导流墩后，备泵的粥水均匀性明藏得到改善， 麸嚣改交了集零洼豹农滚滚态，帮搜在单浆运撂蹲，表露戆拳浚滚逮逡比较均匀。 另外增加斜坡釉改变水泵的位置届，使得底部流速加大，在边墙处水流流速明显 嚣三章甍姑热商进永集水池酶散德模拟 增蕊，可滋窍效茨壹覆涉淤积。这孝孛蹙麓是否露梯滚蔫了善台隶泵秘效率，蓑宙 接下来的物理模型试验来确定。 3 2 流槽式配水方案侧向进水集水池的数值模拟 滚蘧式聚承方案是一秘大辍力蓖零方案，箕续梭鳖式在国内豹泵戆王程中还 较少觅，所以对其配水槽位鬣、大小及水泵性能等进行研究显得尤为麓要。流槽 式配水方絮水力特性研究包撼进水流态研究和水聚性能试验研究。数德模拟只是 进行流速分布的计算，对水聚性能的影响由物理模型试验来进行。 逶过数模计算，拐步评徐在浚疆式配拳方案下集拳漶中各令东泵瓣承静均匀 性鞋及承流滚态情况。雨露遴弦物理模型试验，逶邋耀测的维栗对数学模型计算 进行验证殿对其各个系数进行调整。选定适台这方案的数学模型及棚关的各种 系数后，荫先利用数学模拟遵殿快、投资省的特点进行数值计算，对备种可能采 取豹措施进行模拟，通过戏察配水均匀性和水露的滚态来判断优化方案的合理 往，最终逡窭一个最铙的方案送行蘩理模型试骏，j c 重数模诗算豹藏暴遽镎验 芷霸 调整，奁副形成最优设计方察。 3 2 1 数值模型计算成果 数值接数计算分裂选孝亍了一台、三台和五台裂送行时斡集拳渣流场计算。流 稽式配永方案下的数值诗算豹模型布置觅匿3 。1 0 。 图3 1 0 流楷式配水方案数学模型布置图 分别对其单台泵运行和多台泵运行进行计算，其中单机运行时的袋黼流速分 一2 0 一 鞠海大学硕士学位论文 蠢帮疯部流速分毒觅图3 + li ，三台泵运嚣嚣浚逮分毒置鹜3 1 2 ，聂螽豢运嚣对 的流速分布见图3 1 3 。从圈中可以看出进水稽内随着开机台数的增多，流量的 增大，水流通过配水槽后流速相对较大，主流来不及扩散，直接顶冲厝壁产生倒 流现蒙，立面水流翻滚剧烈，水流流态变得非常綮乱。多机组低水位运行时，上 罄嚣拳魏举霉蛰拳，镬褥本溅袭嚣存在臻显的瓣浚区。多援组褰承袋运行对，由 于第二鼷辩承孔遴永，集承漶内水流的立瑟翻滚现象明显减弱。单穰缀低水位运 行( 例如机) 时，表面水流相对比较平稳。檠水池内由于底孔和配水槽较小， 水流进入集水池后流速较大，遇到边墙后发生倒流，无漩涡产生，假在立面上水 流产生熟滚现象。对于单枧缀遴霉亍时，表蟊水滚较乎稳，滚速非常小，没有发现 不蹇懿承浚琥象。 a a 图3 。l l6 镶单独运芎亍对流速势糍潮 a 、表露滚遮分毒8 、藏郝漉遮分枣 强3 1 2 扩、8 # 、1 0 壤强对运簿辩浚速努毒圈 a 、袭磷流速分布b 、赢部流速分布 b b 第三章泵站鲰向进末集承池a 数值模拟 ab 图3 1 36 4 l o 。泵同时运行时流速分布图 a 、表面流速分布b 、底部流速分布 经过多种方案计算、比较，最终确定图3 1 4 为流态相对较好的一种优化方 案，对其各种工况进行计算，流速分布见图3 1 5 、图3 1 6 。 a 图3 1 4 优化方案布置图 图3 1 5 改进方案( 五台机运行) 流速分布图 a 、表面流速分布b 、底部流速分布 2 2 - b 澜海大学硕士学位论文 a 图3 1 6 改进方案( 一台机运行) 流速分布图 a 、表酝流速分布b 、底部流速分布 b 可见单机组低水位运行时，表面水流流态平稳，流速非常小，没有出现不良 的水流现象。进水槽内随着开机台数的增多，流量的增大，水流通过配水槽后流 速相对增加，但由于底部配水槽断面尺寸的增加，主流可以充分扩散，不再直接 顶冲后壁，水流立面翻滚现象基本消失，各泵配水比较均匀，水流流态得到改善。 多机组低水位运行时，上部配水孑l 不补水，水流表面无明显的回流区。多机组高 水位运行时，由于上部配水孔进水，集水池内水流的立面翻滚现象消失。 舔戡犟配末a 奇察耪理攥燮谜验醑甓 第四章配水孔方案物理模型试验研究 零力黪缝试验主要砖熬零孑i 方案在不嗣瓣浚诗工嚣露不圈弱开褫缝台馕况 - f ( 麓数值模拟计算组合张对应) ，对泵站避农建筑物配水的均匀性、死水区及 回流医的分布、旋涡及涡带发生的位置及强度j 拄行试验研究。通过配水孔方案 的水裂性能测试，阐明集水池内流态对水泵性能的影响】 4 2 1 4 3 1 ，分析造成不良 漉态的恚要因素。对数傻模羧计算提出的优传方案进雩亍试验，邋：i 臻与配水孔方 案鞠魄鞍，磅究这些工程攘撬是否致善了永裂配索均匀经、改善了祭农漶承流 流态、提高了水泵效率。 4 1 泵站整体水力模型设计 4 1 1 承力模型组藏 波水路泵站模型试验根据其初步布置方案，采用自循环、歼敝式的几何正 态模型试验装置，由隔栅弗、进水槽、配水板、粲水池、1 0 台模戳潜水泵、出 水管路、出水高位井、回砖( 渠、调节池及李 水泵等组成( 图4 1 ) 。 凌试验装霆戆稷纛帮绞装凌7 控裁蕊门、灏量纹嚣等襞爨浚器。邃零滤道、 迸水池以及出水高位井均被中间隔墙完全分开，l o 台水泵被分成究全独立的两 个进出水系统，每五台裂都是通过置于挡水墙底部和中部的配水孔配水，故汶 水路裂站是一种单侧向进水形式的泵站。 4 。1 2 模壅泵选择 搬据原型泵的结构特点及其工作参数，水泵采用i o o q w 7 0 - 1 0 一4 型潜水排 污泵作模型泵。为保证模型泵满足各相似准则，试验中采用变频调速器对模型 泵所瓤电机进行调速运彳亍，从而使得模型泵设计工况点的流量、扬程与试验要 求穗一致。 自 醛键掣瑚剥醛域莪雌挺善mn；科隧 。舞*艚蕊妒畋蜒半毒l*堪辨壤静嫩 贼渊静龆辩稀辎蠼醛 一贼 j|l!刊引蚓|。l|l丑 一l 。 1 蔓 扑 岛 一嚣 一豢三蚤一g 4 。“ 擎茗珥a 一 芦酵蓄j 毳剥噜音 - 惜 一b ib 4 誊 i k = = 蛊刮 蓦； l lj | 目 州磐草扑书落孙k嚣嚣 墨壁墅攫丛墼丝型塑塑 4 。2 进水流态的试验研究 首先对图4 。l 所示的模型装置布鼹形式避行流态试验研究。水流由进水籀涵 进入进水槠，通过配水孔，进入集水池，向备台水浆配水。根据设计涤料，泵站 的设计运行工况菸有9 个( 表4 1 ) ，袭中高程隘受淞舀离程计。试验中选择了较 蔻典型豹逡行工溅；即单台污水泵运行工躐、2 台污水泵运行工况、5 台污水泵 运行工况_ i 拄行流悉试验。根据模型比尺，计算得出模型试验中集水池和出水离位 并的最高水位，所选试验互况的水位辩表4 2 ，箕中，承位蔽集承涟窳板高糕为 基漆0 裹稷。 袭4 。l 泵淤靼对应懿摸裂泵站设计运纾工况 嚣茶 痰爨( 1 s )集永浊最褒承位( 瞄裹诬共最高水位抽) 台数 原型模型原裂模型原型模裂 l话8 8 98 5一唾i io 3 5i 0 3 22 。筠 21 5 7 7 。7 81 7 8 93 8 3o 4 0i 0 4 02 7 7 32 3 6 6 6 72 6 8 43 6 30 4 3l o 5 22 7 9 43 1 5 5 。5 63 5 + 7 93 ，4 6o 4 6l o 6 92 8 2 53 9 4 4 4 44 4 7 33 2 90 4 9l o g o2 8 5 64 7 3 3 3 3s 3 ，8 8- 3 。1 40 5 1l l 。1 92 。9 0 75 5 2 2 2 26 2 6 22 9 80 5 41 1 4 82 9 5 86 3 1 1 1 l7 1 。5 72 8 l0 5 7 l 。蠢53 g l 97 1 0 0 o o8 0 5 22 6 3o 6 01 2 2 63 0 8 袭4 、2 模鳌试验研究泵靖运行工况 永量( i s )纂永拖最离求位蕊)离使并最高承位 l 歼泵台数 摸型模激模型 18 9 50 3 52 7 5 21 7 。8 孽o 。4 62 8 2 54 4 7 30 6 03 0 8 溺海太学碗举短论文 4 2 1 试验测点的布置 试验溅点静布置冤下圈。 v 摹 i i i1 1i 莩 。 一。 。 ： 够嗣隧 盈奎一 萋 。 ：一。 jil j 莲 蟛曲一一 ff 著 一 魁曲一 |f i 季 蚓盘当 ii l i !i i 扛叫舅j 坠_ l 阜叫城一 图4 2典型过流断面流速分布量澳l 点布置图 a 、乎面测点布置耀b 、划面测点毒置图 2 了 第殴章配求i 0 京案耪理横壁试虢研究 4 2 2 配水孔方案的流态堂测 针对单台泵运行、多台泵缀合运行等多种工况，对配水孔方案进水表面流态 逶行了测试。表露流态见溪4 3 疑示n a b c 圈4 _