（水利水电工程专业论文）后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究.pdf

于丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 摘要 灯泡贯流泵装置具有进、出水水流平顺流畅、水力损失小，过流能力大，装 置效率高等特点，特别适用于南水北调东线泵站工程，具有较大的应用价值和发 展潜力。但是，目前大型灯泡贯流泵机组在国内外的应用还很少，仅有一些装置 性能方面的认识，专门针对灯泡式贯流泵站进出水流道的研究几乎没有。而流道 作为大中型泵站的重要组成部分，直接影响着泵站的装置性能和安全可靠运行。 因此，对灯泡贯流泵装置进出水流道的流态优化进行分析研究，对减少流道内水 力损失，提高装置效率有着重要的指导价值。 随着c f d 理论技术和计算机软硬件技术的发展，数值模拟方法在水泵装置研 究方面得到了越来越广泛的应用。本文在这种背景下，采用三维湍流数值模拟的 方法研究灯泡贯流泵装置进出水流道流态的优化。 本文以某后置灯泡贯流泵站为例，使用g a m b i t 软件完成了模型泵装置的三 维实体造型和非结构化网格的剖分，采用局部加密技术对实体进行了较高精度和 较高质量的网格剖分。基于f l u e n t 软件在两种不同七一占湍流模型基础上对后置 灯泡贯流泵装置内部三维湍流流场进行了数值模拟。数值模拟结果和模型试验结 果比较后，得出了较适合本例的r n g 足一s 湍流模型，从而说明本文所采用的数学 模型是合适的。 通过数值模拟计算，获得了灯泡贯流泵装置及进出水流道的流场：进水流道 内水流顺直；出水流道内有较大范围的脱流和漩涡，主要受导叶出口环量和灯泡 体的影响，其中导叶出口环量的影响比较明显。并对出水流道中的特殊结构一一 灯泡体段进行了详细的分析，同时对灯泡贯流泵装置各部分的水力损失进行了计 算，结果表明出水流道灯泡体段水流很不均匀，灯泡体支撑和尾部区域都存在着 漩涡和偏流，该段是水力损失最严重的地方。再针对出水流道灯泡体段的具体特 点，拟定了流态优化的具体方案。通过三维数值模拟，以各方案的水力损失，装 置扬程和装置效率为目标函数，详细分析了灯泡体段支撑型线和灯泡体尾部型线 扬州人学硕士学位论文 化方案。数值计算的结果表明，过流部件的流线型越好，水流所受的阻力越小， 泵装置效率就越高。本文研究成果为实际工程中提高后置灯泡贯流泵装置的效率 提供了参考。 关键词：贯流泵灯泡体流态数值模拟 丁二丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 i i i a b s tr a c t t h eb u l bt u b u l a rp u m p i n gs y s t e m ，w h i c hh a st h e c h a r a c t e r i s t i c so fs m o o t hn o w p a t t e m si nt h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t s ，1 e s sh y d r a u l i cl o s s ，l a 玛ed i s c h a r g ec a p a c i t ya n d h 逗hs y s t e me f h c i e n c y i se s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rp u m p i n gs t a t i o n so ft h ee a s t - r o u t e s o u t h t o n o i r t hw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t c o n s e q u e n t ly ，i th a sg o o da p p l i c a t i o nv a l u e a n dd e v e l o p i n gp o t e n t i a l h o w e v e r ，t h ea p p l i c a t i o no f1 a r g eb u l bt u b u l a rp u m p i n g s y s t e m si ss t i l ls e l d o m n o 、kt h e r ei so n l ys o m er e s e a r c ho ns y s t e mp e r f b r m a n c e ，a n d f e wo nt h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t so f b u l bt u b u l a rp u m p i n gs y s t e m a st h ei m p o r t a n t p a r t o f l a r g ep u m p i n gs t a t i o n ， i n l e ta n do u t l e tc o n d u i t s d i r e c t l y a f f e c t s y s t e m p e 痂n n a n c ea n ds a f ea n dr e l i a b l eo p e r a t i o no fap u m p i n gs t a t i o n t h e r e f o r e ，a n a l y s i s a n dr e s e a r c ho no p t i m i z i n gn o wp a t t e mo ft h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t so f b u l bt u b u l a r p u m p i n gs y s t e mi sn e c e s s a r yf o rr e d u c i n gh y d r a u l i c1 0 s sa n di n c r e a s i n gt h ee f f i c i e n c y o fp u m p i n gs y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et h e o r i e sa n dt e c h n i q u eo fc f da n dc o m p u t e r h a r d w a r et b c h n o l o g y ，t h ea p p l i c a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nh a sb e e nm o r ea n dm o r e w i d e l ya p p l i e dt os t u d yn o wp a t t e m si nt h ep u m p i n gs y s t e m t h i sp a p e ru s e sn u m e r i c a l s i m u l a t i o no f3 dt u r b u l e n c en o wt os t u d yt h ei n l e ta n do u t l e tc o n d u i t so f b u l bt u b u l a r p u m p i n gs y s t e m 1 a k i n g ap o s t p o s i t i o n a lb u l bt u b u l a rp u m pa sa ne x a m p l e ，3 de n t i t ym o d e l i n g d e s i g na n du n s t m c t u r e dm e s hg e n e r a t i o no fm o d e lp u m p i n gs y s t e m 甜ec o m p l e t e di n t h i sp a p e r ，m e a n w h i l e ，t h et e c l l r l i q u eo f1 0 c a l l yd e n s i t ym e s hi sa d o p t e dt oa c h i e v eh i g h a c c u r a c ya n dh i g hq u a l i t ym e s hg e n e r a t i o n s i m u l a t i n g3 dt u r b u l e n tf l o wf i e l d i nt h e b u l bt u b u l a rp u m p i n gs y s t e mb yf l u e n ti sb a s e do nt 、v o七一占m o d e l s c o m p a r i s o n b e t w e e nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n dm o d e lt e s ts h o w st h a tt h er n g 七一占 m o d e l i sm o r es u i t a b l ef o rt h i sc a s e b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h en o w6 e l do ft h eb u l bt u b u l a rp u m p i n gs y s t e mi s i v 扬州人学硕十学位论文 o b t a i n e d t h en o wp a t t e mi nt h ei n l e tc o n d u i ti ss m o o t h ，b u tt h e r ea r ev o n e x e sa n d d e v i a t i o nn o wi nt h eo u t l e tc o n d u i t i ti sm a i n l ya f f e c t e db yt h eb u 【ba n dc i r c u l a t i o na t t h eo u t l e to fg u i d ev a n e ，a n dt h ea f 诧c to fc i r c u l a t i o na tt h eo u t l e to fg u i d ev a n ei sm o r e s i g n m c a n t t h e nt h ef l o wp a t t e mo f b u l bs e c t i 。nw h i c hi st h es p e c i a ls t n l c t u r eo ft h e o u t l e tc o n d u “i sa n a l y z e di nd e t a i lt o g e t h e rw i t ht h ec a i c u l a t i o no fh y d r a u i i cl o s sf o r e a c hp a n ，i ti sk n o w nt h a tt h en o wp a t t e mo fb u l bs e c t i o ni sn o tu n i f o r m ，t h e r ea r e v o r t e x e sa n dd e v i a t i 。nf l o wi nt h et a i lo f b u l ba n ds u p p o 九i n g ，a n dt h em a i nh y d r a u l i c l o s si si nt h i ss e c t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e “s t i c so f b u l bs e c t i o n ，t h es c h e m e sa r e s n j d i e do u tt oi m p r o v ef l o wp a t t e m t h k i n gh y d r a u l i cl o s s ， i i 币n gh e a da n ds y s t e m e m c i e n c ya so b j e c t i v ef u n c t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ea t i f e c t i o no 九h es h a p eo ft h e s u p p o r t i n ga n dt a i lo nn o wp a t t e m ，a n d 丘n a l l yo b t a i n st h eo p t i m i z a t i o ns c h e m ew h i c h c a ns i g n i 丘c a n t l yi n c r e a s et h es y s t e me f f i c i e n c y t h er e s u l to fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n i n d i c a t e st h a tt h eb e t e rt h es t r e a m l i n e df o r n lo fn o wp a s s a g ec o m p o n e n t ，t h el e s st h e h y d r a u l i cl o s s ，t h eh i g h e r f h es y s t e me f n c i e n c y a l lt h e s er c s e a r c hr e s u l t sa r eu s e f u lf o r i n c r e a s i n gt h es y s t e me m c i e n c yo fp o s t p o s i t i o n a lb u l bt u b u l a rp u m p si np r a c t i c a l p r o j e c t k e yw o r d s ：t u b u l a rp u m p b u l bb o d y ，n o wp a t t e r n ，n u m e r i c a ls i m u i a t i o n 于丽红：后置灯泡贳流泵装置进出水流道流态优化研究 v 符号说明 符号物理含义 扰 速度矢量 “f沿f 方向的速度分量 p静压力 g 湍动能生成率 j湍动能粘性系数 p流体密度 x lf 方向的坐标分量 时均流速“ 甜脉动流速 时均压力 p p 脉动压力 七湍动能 七p 节点p 湍动能 占 湍动耗散率 p e j l 有效粘性系数 7 7 0应变率 流体的动力粘度 f w壁面切应力 v i扬州大学硕士学位论文 符号物理含义 蛳p节点尸到壁面的距离 v绝对速度 v ， 相对速度 v f 非惯性参考系的平移速度 q旋转坐标系的角速度 ，|旋转坐标系中的位置向量 f 粘性应力张量 单位质量力 2 q v ， 哥氏加速度 q q ， 离心加速度 x笛卡尔坐标的位置向量 x 0 计算区域旋转轴的初始位置 丁 扭矩 p 国 叶轮角速度 h扬程 - q流量 n轴功率 叩 效率 办， 水力损失 j 于丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 而善 - 、j 签字日期：加g 年占月i y 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：聿弱 u 签字日期： 邙年6 月，) ，日 导师签名况垄l 签字日期：夕多年6 月厂之日 于丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 第一章绪论 1 1 灯泡贯流泵装置进出水流道流态研究的目的和意义 水利工程在我国国民经济各部门发展中发挥着重要作用，泵站工程是水利工 程的重要组成部分。在我国，水泵站一方面广泛应用于灌溉和排水工程，为农业 生产和减灾防灾服务；另一方面也大量地用于城市和乡镇的供排水工程及工业供 水工程【1 】。可以说，泵站工程为国民经济的可持续发展和全面建设小康社会提供了 强大的动力。 南水北调工程是一项举世瞩目的大型水利工程，其东线工程在项目建议书、 可研和初步设计阶段，需要新建泵站5 1 座，扬程低于5 0m 的泵站占7 0 口j ，其 中第一期工程需新建泵站2 1 座，江苏境内1 4 座，共有7 座初选灯泡式贯流泵机 组，主要考虑到贯流机组在低扬程情况下具有效率高、水力性能好等优点。目前 这种类型的机组已广泛应用于水轮机行业，但在泵站中运用还不多pj 。 大中型泵站通常采用专门设计的进出水流道，进水流道的作用是为了使水流 从前池进入水泵叶轮室的过程中更好地转向和加速，尽量满足水泵叶轮室进口所 要求的水力设计条件。出水流道的主要作用是为了使水流在流入出水池的过程中 更好地转向和扩散，在不发生脱流或漩涡的条件下最大限度地回收动能【l 】。可见， 进出水流道内的水流流态直接影响着泵站的装置效率和安全可靠运行。 因此有必要专门研究灯泡式贯流泵站的进出水流道，以更好地为南水北调工 程服务，指导工程实践。本研究将建立大型灯泡贯流泵装置的仿真数学模型，应 用f l u e n t 软件进行数值计算，模拟出较为准确的进出水流道内的水流流态，在 对模拟出的流态分析的基础上，提出改善泵站进出水流道流态的过流部件的形态 优化措施，相信会对灯泡式贯流泵站流道内过流部件的合理设计、泵站运行的经 济性和安全性起到重要作用。 扬州人学硕七学位论文 1 2 灯泡贯流泵装置的研究现状和发展 1 2 1 灯泡式贯流泵站的发展概况和特点 参照贯流式水轮机组的分类方法，贯流式泵机组可以分为轴身贯流式、竖井 贯流式、灯泡贯流式和全贯流式等四种结构型式【4 j 。灯泡式贯流机组从结构上分又 有多种型式。从灯泡体的布置来分有前置、后置两种；从传动方式来分有直接传 动、间接传动、垂直传动三种：从安装方式来分有中开、不中开两种：从叶片调 节方法来分有不调、半调、全调三种【2 】。灯泡贯流式泵站具有以下特点：( 1 ) 进出 水流道是直进直出式，流道笔直，管路较短，水流基本上轴向通过流道，并轴对 称流过水泵的叶片，符合水泵叶轮设计的基本假设条件【l 】，流道总的水力损失较小， 水力性能较佳，装置效率较高。( 2 ) 叶轮位于水面以下，噪音小，汽蚀性能较好。 ( 3 ) 所有转动部件都安装在泵壳内，安全且便于检修保养。( 4 ) 不必充水启动， 无需设吸水槽，运行管理方便，便于自动化且开挖量小。( 5 ) 整体吊装，起吊高 度小，泵房高度低适宜取消上部高大泵房，可以减小泵站土建投资。 灯泡贯流式水泵机组是伴随灯泡贯流式水轮机的发展与技术成熟而起步的。 国外建造的贯流式水泵中，水泵直径最大的是日本新川河泵站( d = 4 2m ，n = 1 3 0 0 k w ) ，其次是荷兰艾莫伊登泵站( d = 4 0 m ，n = 1 3 0 0k w ) ，他们均为2 0 世纪7 0 年 代建成，此后日本建成的灯泡贯流泵站大多数为单机容量在1 0 0 0k w 以下的中小 型机组。在传动方式上，艾莫伊登泵站为直联传动，日本基本上均为齿轮箱减速 传动【5 1 。 国内从1 9 6 5 年开始研制灯泡贯流式水轮机，4 0 多年来，通过自行研制、技 术引进、与国外厂商合作生产制造、整机引进等途径，目前国内灯泡贯流式水电 机组的研究、设计、制造、安装与运行管理技术己趋于成熟。1 9 9 7 年建成的淮安 三站在国内首次采用了大型灯泡贯流式水泵，是目前配套功率最大的贯流泵站， 采用的结构是直接传动、不中开、不可调叶片，即最为简单的一种。该站投运后， 机组存在启动成功率低、电机超功率、装置效率不高等问题，未能达到原试验研 究成果的水平 6 | ，一定程度上影响了大型灯泡贯流泵技术的发展。 予丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 为了积极稳妥地推广应用贯流式水泵，近年来江苏省在一些中小型、年运行 时间较少的排涝泵站上选用竖井贯流泵和灯泡贯流泵，以期逐步积累经验，为大 型贯流式机组的发展打下良好基础【6 。因此，大型灯泡式贯流泵站在国内的运用还 不是很成熟。( 1 ) 目前国内已建的唯一的大型灯泡式贯流泵站就是淮安三站，但 是从运行情况来看，该泵站在设计和制造上均有一定的缺陷，因此，对于大型贯 流机组能否安全可靠运行还是难以把握的。( 2 ) 大型灯泡式贯流泵技术复杂。对 密封、大功率齿轮箱和叶片调节等技术，在设计和制造方面还存在许多疑难问题。 ( 2 ) 制造、安装和检修工期长。( 3 ) 贯流式机组造价未必低，随着对其研究的深 入，比较发现土建费用与立式机组泵站差不多，若有挡洪要求，费用增幅较大。( 4 ) 大于4 m 的泵站效率优势不明显pj 。 1 2 2 进出水流道的研究概况 1 2 2 1试验研究 一 流场测试是研究进出水流道最直接、最有效的方法。目前流场测试的手段主 要有毕托球、五孔探针、激光流速仪( l d v ) 和粒子成像速度仪( p i v ) 。七十年代， 北村升【7 】研究了水泵吸水管路内水流运动并给出了完整的流速场；心i s i m a 【8 】研究了 轴流泵进水口处的回流现象。八十年代，刘超【9 】首次运用微型五孔测球、微型毕托 球对各种进水流道内部流场进行了全面测试，获得了进水流道内较全面的的流场 特性。九十年代以后，汤方平、刘超等( 1 0 】在国内最早采用p i v 技术获得了立式轴 流泵进出水口的流场。 模型试验是研究进出水流道水力性能的重要研究手段，张庆范】对两种贯流 泵装置和立式轴流泵装置在同样测试条件下进行模型试验研究，论证了在5 m 以下 采用贯流泵装置的优点。刘超旧通过研究双向开敞轴流泵装置，提出了独特的曲 线喇叭管出水结构，取得了在低扬程泵装置流道研究的突破，周济人【1 3 1 研究了箱 涵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，认为进水流道的主 要问题是涡带。汤方平【1 4 】通过一组带泵和不带泵的装置的水力损失进行测试，指 出了进水流道损失与流量基本成二次方关系，而出水流道损失与导叶出口环量有 扬州人学硕士学位论文 密切关系。陆林广【l5 】提出了一种不带模型泵的进水流道模型试验装置，认为这种 试验装置能减少实验费用并缩短周期。 1 2 2 2 数值模拟 随着计算机技术的发展和数值方法的不断完善，采用数值模拟的方法研究进 出水流道流动状况日趋成熟。阎超【1 6 j 应用计算流体力学来研究泵站进水流道，针 对贯流泵站装置特点将三维流道简化成二维轴对称问题求解；陈红勋1 17 】提出了势 流假定下的大型泵站进水流道道内部流动的全三维直接边界元的解析方法。陆林 广借助商用软件，对肘型【i s 】、钟型19 1 、簸箕型【2 0 】、双向进水流道开展了三维紊 流计算。成立、刘超等【2 2 】针对各种典型进水流道( 开敞式进水池、钟形、簸箕型、 双向进水流道) 紊流模型对流道内部流态及水泵进口处的流动进行了三维数值计 算。此外，江苏大学 2 3 】【2 4 】，河海大学【2 5 】，武汉大学1 2 6 】俐等也针对一些泵站运用数 值模拟方法，研究了进出水流道的水力特性，并针对性地提出了流态改善措施。 数值模拟与模型试验相结合研究进出水流道流态，运用于工程实践，是计算流 体力学发展的一大突破。成立、刘超等1 2 8 】采用直接求解基于时均的n s 方程和七一占 方程紊流模型方程组的方法、通过数值模拟预测肘形弯管进水流道内部流动，并 通过试验台的模型试验，优选了肘形弯管的改造方案，改善了流速分布。陈松山【2 9 j 用同样的方法对椭圆型线前置竖井贯流进水流道内的流动进行了三维数值计算， 并对模型泵装置进行动力特性试验，结果认为采用椭圆型线设计的竖井进水流道 合理，且泵装置效率较高。刘军、陆林广等【3 0 jp u 采用三维紊流数值模拟计算和透 明流道模型试验的方法，对进出水流道进行了流动分析，并提出了一些消涡措施。 由此可见，目前对大型泵站进出水流道的研究集中在一些较为常见的流道上， 专门针对灯泡式贯流泵站流道的研究很少，仅有一些装置性能方面的研究。陆林 广【3 2 j 利用单流道模型，对灯泡贯流泵进出水流道水力损失进行了测试，认为进出 水流道的水力损失与灯泡体布置的位置密切相关。郑源【3 3 】【3 4 1 通过模型试验，认为 灯泡式贯流泵有较好的水力性能和较高的效率，而且灯泡体前置优于后置。王玲 花p5 j 分析了灯泡体、导叶布置位置、进出口安放角和叶栅稠密度等因素对双向贯 流泵出流流态的影响。陆林广，冷豫，罗庭【3 6 3 8 】对前后置灯泡贯流泵装置的基本 于丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 流态，水力性能和内部流场进行了三维紊流数值模拟研究。汤方平、刘超等【3 9 】结 合淮河入河水道近期工程穿堤泵站的建设，以模型试验为主配合c f d 分析，对后 置灯泡贯流泵装置的灯泡体、扩散导叶和进出水流道等进行了比较全面的研究。 1 3 计算流体力学( c f d ) 发展概况 c f d ( 计算流体动力学) 是在流动基本方程控制下对流动进行数值模拟，其基本 思想可以归结为：把原来在时间域和空间域上连续的物理量的场，用一系列有限 个离散点上的变量的集合来代替，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【4 0 。 c f d 是现代模拟仿真技术的一种，是流体力学发展的重要分支，相当于“虚拟”地 在计算机上做实验，用以模拟仿真实际流体的流动情况。 c f d 是2 0 世纪6 0 年代起伴随着计算机技术迅速崛起的学科。经过半个世纪 的发展，该学科已相当成熟。近几十年来，出现了如p h o e n i c s 、c f x 、s t a r c d 、 f i d 工p 、f l u e n t 等多个商用c f d 软件，这些软件性能日趋完善，应用范围不断扩大， 在工程界发挥着越来越大的作用。如今，c f d 技术的应用已遍及航空航天、船舶、 能源、机械制造、汽车、水处理、环保等众多领域。从高层建筑结构通风到微电 机散热，从发动机、风扇、涡轮、燃烧室等旋转机械到整体外流气动分析，流体 动力学可谓无处不在。 1 3 1f l u e n t 软件简介 本文计算使用的f l u e n t 软件是我校于2 0 0 0 年购买的，至今已经过了两次升 级。该软件是美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的c f d 软件，经过多年的开发改 进，是目前功能最全面，适用性最广，使用最为广泛的c f d 软件之一【4 0 4 1 1 。 f l u e n t 软件的结构由前处理器g a m b i t 、计算处理器、后置处理器三大模 块组成。g a m b i t 作为专用的前处理软件，它具有完整的建模能力，能够准确地模 拟出分析对象的几何外形；它具有强大的网格生成能力，它提供的非结构化网格 生成程序、网格的自适应技术和混合网格与附面层内的网格功能对解决各种复杂 6 扬州大学硕士学位论文 外形的流动非常有效；它还具有丰富的c a d 接口，可以读入p r o e 、u g 、 a u t o c a d 等多种软件的三维几何模型和a n s y s 等多种c a e 软件的网格模型。 f l u e n t 软件推出了多种优化的物理模型，如定常和非定常流动、层流、湍 流、不可压缩和可压缩流动、传热、化学反应和噪声模型等等。对每一种物理问 题的流动特点都有适合的数值解法。它的湍流模型包括七一占模型、r e v n 0 1 d s 应力 模型、l e s 模型、标准壁面函数模型、双层近壁模型等4 2 1 。 f l u e n t 可让用户定义多种边界条件【4 3 1 ，如流动入口及出口边界条件、壁面 边界条件等，可采用多种局部的笛卡尔和圆柱坐标系的分量输入，所有边界条件 均可随空间和时间变化，包括轴对称和周期变化等。提供的用户自定义子程序功 能可让用户自行设定连续方程、动量方程、能量方程或组分输运方程中的体积源 项，自定义边界条件、初始条件、流体的物性、添加新的标量方程等。 解的计算和显示可以通过交互式的用户界面来完成。用户界面是通过s c h e m e 语言编写的。其后处理器具有三维显示功能，可以展现各种流动特性，有的还能 以动画的形式演示非定常过程。 f l u e n t 软件的基本程序结构【4 4 】如图1 1 。 几何形状 图1 1f l u e n t 软件基本程序结构图 于丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 1 4 本文的研究内容与目标 本文采用数值模拟的方法，研究某后置灯泡贯流泵站模型泵装置出水流道流 态的调整。数值模拟时，在对现有流动计算方法和三维湍流模型分析基础上，对 各种计算区域下的边界条件设置进行详细分析的结果上，从以下方面对泵装置的 数值模拟和出水流道的流态改善进行研究。 1 、原始方案下灯泡贯流泵装置流动模拟； 2 、灯泡体底部支撑为单支撑的贯流泵装置流动模拟； 3 、灯泡体支撑型线为流线型的贯流泵装置流动模拟； 4 、灯泡体尾部形状为椭圆形的贯流泵装置流动模拟； 5 、流线型支撑型线和椭圆形灯泡体尾部形状下的贯流泵装置流动模拟。 期望得到以下结果： 1 、通过选用较好的泵装置三维湍流数值模拟方法模拟出较为准确的灯泡贯流 泵装置的内部流场和装置性能。 2 、通过一系列的计算分析，总结出减小灯泡体段水力损失，提高泵装置效率 的灯泡体段过流部件型线的优化方案。 扬州人学硕士学位论文 第二章灯泡贯流泵装置三维湍流数学模型和计算方法 2 1 控制方程 2 。1 1 数值计算的基本方程 泵装置内部水流的流动是复杂的三维湍流流动，湍流流动具有脉动性，可用 非稳态的连续方程和n a v i e r _ s t o k e s 方程来描述湍流的瞬时运动。考虑到泵装置内 部的水体为不可压缩流体，可以得出湍流的瞬时控制方程： 当：o( 连续方程) 缸 ( 2 1 ) 鲁+ 毒c 叩户f 一吉妻+ 杀c 动量方程， c 2 圳 式中，p 为流体的密度，为时间，甜。为f 方向的速度矢量，x ，( f = 1 ，2 ，3 ) 为坐 标轴；p 为压力，为流体的动力粘性系数，f 为f 方向的体积力分量。 2 1 2 湍流数值模拟方法 目前的三维湍流数值模拟方法可以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟 方法。所谓直接数值模拟方法是直接求解瞬时湍流控制方程。非直接数值模拟方 法就是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处 理。根据所采用的近似和简化方法的不同，又可以把非直接数值模拟方法分为大 涡模拟、统计平均法和r e v n o l d s 平均法。 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 的方程对湍流进行计算。d n s 方法的最大好处是无需对紊流流动作任何简化或近 似，理论上可以得到相对准确的计算结果【4 5 4 6 1 。但是只有在非常微小的时间和空 丁丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 间步长下，才能分辨出湍流中剧变的时间特性和详细的空间结构。基于这个原因， d n s 方法对计算工具有很高的要求，对计算机的内存空间和计算速度要求非常高， 目前该方法还仅限于相对低的雷诺数中的湍流流动模型，还没有真正用于工程计 算中。 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 ) 方法的基本思想是用瞬时的n s 方程直接模拟计算湍流中的大尺度涡，而小尺度涡对大涡的影响则通过建立近似 的模型来考虑，这种影响模型称为亚格子尺度模型。大多数亚格子尺度模型都是 将湍流脉动所造成的影响用粘涡性来描述，这样就减少了计算的工作量和对内存 的需求，总体而言，l e s 方法对计算机内存及c p u 速度的要求仍比较高，但远低 于d n s 方法，因而近年来的研究与应用曰趋广泛。 3 r e y n o l d s 平均法( r a n s ) r e y n o l d s 平均法的核心是不直接求解瞬时的n s 方程，而是想办法求解时均 化的r e y n o l d s 方程。这样不仅可以减少计算量，而且能在工程实际应用中取得很 好的效果。 现在广泛采用的r e y n o l d s 平均法，是把湍流看作由是时间平均流动和瞬时脉 动流动叠加而成，则湍流的特征变量流速和压力可以表示如下： “= “+ “( 2 3 ) p = p + p ( 2 4 ) 式中：“为时均流速，铭为脉动流速；p 为时均压力，p 为脉动压力。 将上述两式代入到( 2 1 ) ，( 2 2 ) 中，并对时间取平均，得： 丝：o ( 2 5 ) a x ， 扬州人学硕士学位论文 鲁+ 毒c 蔬小一吉害十丢k 毒+ 等 - 瓦 + f 沼6 ， 上式即为r e y n o l d s 时均n s 方程( r e y n o l d s - a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e s ，简称r a n s ) 。 对比r a n s 与n s 方程，可以发现，时均流动的方程早多出了r e y n o l d s 应力 项r f = 一p “：“j ，乃实际对应6 个不同的r e y n 0 1 d s 应力项，即3 个正应力和3 个 切应力。则由连续方程和r e y n o l d s 时均方程构成的4 个方程( r e y n o l d s 方程实际 是3 个) ，现在增加了6 个r e y n o l d s 应力，再加上原来的4 个时均未知量( 其中 速度分量“。3 个，压力分量p ) ，共有1 0 个未知量，因此，方程组不封闭，必须对 r e y n o l d s 应力进行模式化处理。 根据对r e y n o l d s 应力做出的假定或处理方式的不同，目前常用的湍流模型方 程有两大类：r e y n o l d s 应力模型和涡粘模型。目前涡粘模型包括零方程模型，一 方程模型和两方程模型，两方程模型在工程中运用最为广泛，目前最常用的两方 程模型是标准尼一占模型，r n g 七一占模型【4 7 56 1 。 标准七一模型是在湍动能七方程的基础上，引入关于湍动能耗散率s 的方程后 形成的两方程模型。 七方程 p 尝= 丢 ( + 尝 筹 + g 。一 c 2 7 ， 占方程p 告= 毒陋+ 箦) 善 + 竿g 。一c ：。p 譬 c 2 剐 其中，“为湍动能粘性系数，即： ，：心。生 s g 。是湍动能生成率，即： ( 2 9 ) 于丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 l l g 。硝( 考+ 等 考 根据l a u n d e r 等的推荐值及后来的实验验证，方程中的模型常数的取值为： 为： c ，。= 1 。4 4 ，c ，。= 1 9 2 ，c 。= 0 0 9 ，万，= l 。o ，仃，= 1 3 。 j #o“ # ( 2 1 0 ) i g 七一占模型是对标准七一占模型的一种修正形式，其湍流模型的七、s 方程 后方程 占方程 p 等= 毒卜形善l + 瓯一胪 p 瓦2 瓦卜形瓦i + 魄一胪 ( 2 1 1 ) p 告= 苦卜毒 + c ，焉g 。一c 譬一尺 c 2 m ， 对于有效粘性系数够，在高雷诺数时可修正为： 口。= y + 尝，口。咿= y + 毒= p 等 c 2 邯， 在占方程中增加了r 项，r = 三堑里掣譬 ( 2 1 4 ) 鼽应变删艄= 厨一= 甄若+ 甜舢川2 “3 8 经上述修正，并将r 项代入( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 式，可得： 尸凳：兰l ( y + 旦) 婺l + g 。一伊 尸瓦2 瓦| _ + 茸瓦| + 瓯一伊 ( 2 1 5 ) p 告= 毒 c y + 三，妻 + c 。丢g 。一c 。p 譬 c 2 舶， 扬州大学硕士学位论文 式：- c ：+ 警 方程中相关常数如下： ( 2 1 7 ) c 1 。= l 。4 2 ，c 2 。= 1 。6 8 ，c 卢2o 0 8 5 ，巧女= 0 t 7 1 7 9 ，仃。= o 。7 1 7 9 。 可见，对于高雷诺数的紊流，r n g 七一占模型与标准七一f 模型有着相同的形式， 只是在占方程中出现了一个附加生成项，当流动急速变化时，这一项显著增大。 相比于标准七一占模型，r n g 后一占模型可以更好地处理高应变率、曲率较大、 旋转流动、分离流动等较复杂的流动。 至此，上述连续性方程、动量方程、七一占模型下的七方程和占方程构成了本文 描述灯泡贯流泵装置内部三维湍流流动的控制方程组。 2 2 边界条件 2 2 1 进口边界条件 流动进口边界【5 7 铷】，就是指在进口边界上指定流动参数的情况。常用的流动 进口边界包括速度进口边界、压力进口边界和质量进口边界。 本文中泵装置的进口边界设置为质量进口边界条件，选用m a s sf 1 0 w r a t e ( 进 口边界上总的质量流量) 。由于采用了七一占湍流模型，质量进口断面还需给出水流 湍动能量及其耗散率的边界条件。本文采用了f l u e n t 软件提供的默认值，湍动 能七和湍动耗散率占均为l 。 2 2 2 出口边界条件 流动出口边界条件是指在指定位置( 几何出口) 上给定流动参数，包括速度、 压力等。流动出口边界条件是与流动进口边界条件联合使用的。 流动出口边界条件一般选在离几何扰动足够远的地方来施加。在这样的位置， 流动是充分发展的，沿流动方向变量的梯度接近于零。在湍流流动中，一般认为， 于丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 1 3 上游的流动状态可以影响下游方向的流场；而下游边界的流动状态影响不到上游 方向的流场。 本文中泵装置的出口边界设置为出流条件，此处的边界条件很简单，所有变量 ( 压力除外) 的变化率均为零，即 型：o( 2 1 8 ) 融 式中：矽为待求的因变量。 2 2 3 壁面边界条件 无论是标准尼一占模型还是r n g 七一s 模型，都是针对高r e 数的湍流模型，它 们只适用于求解湍流核心区的流动。而壁面区的流动，r e 数较低，湍流发展不充 分，湍流的脉动影响不如分子粘性的影响大，因此不能使用七一s 模型来求解整个 区域内的流动，常用壁面函数法或低r e 数七一占模型计算壁面区的流动。 壁面函数法基本思想是：对于湍流核心区的流动使用七一模型，而在壁面区 不进行求解，直接使用半经验公式将壁面上的物理量与湍流核心区的求解变量联 系起来。因此壁面函数法不需对壁面区域内的流动进行求解，相对于低r e 数七一s 模型，计算效率高工程实用性强，是f l u e n t 选用的默认方法，本文使用的就是 壁面函数法。 壁面函数法针对动量方程，给出了联系壁面值与内节点值的公式： l 、动量方程中变量甜的计算式 当与壁面相邻的控制体的节点满足y + 1 1 6 3 时，流动处于对数律层，此时的 速度为： “+ ：三l n ( 缈+ ) ( 2 1 9 ) k f l u e n t 用户手册推荐1 ，+ 按下式计算： y + ：竺! 唑塑( 2 2 0 ) 。 1 4 扬州入学硕十学位论文 而此时的壁面切应力f 。满足如下关系式： f 。= ? 4 七；佗“p “+ ( 2 2 1 ) 式中：“p 是节点p 的时均速度，尼，是节点尸湍动能，缈尸是节点户到壁面的距离， 是流体的动力粘度。 当与壁面相邻的控制体积的节点满足j + 1 1 6 3 时，控制体积内的流动处于粘 性底层，其速度铭p 由层流应力应变关系“+ = y + 得到。 2 、湍动能方程与耗散率中七和占的计算式 在七一占模型中，后方程是在包括与壁面相邻的控制体积内的所有计算域上进 行求解的，在壁面上湍动能后的边界条件是： 丝：o 锄 式中刀是垂直于壁面的局部坐标。 ( 2 2 2 ) 在与壁面相邻的控制体积内，构成七方程源项的湍动能产生项g 。，及耗散率占， 按局部平衡假定来计算，即在与壁面相邻的控制体积内g 。和占都是相等的。则 瓯考_ 赢 鲫帆：庀j 。1 ，。 c ：似七；乃 占= j 一 脚p ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 注意，在与壁面相邻的控制体积撒谎功能是不对占方程进行求解的，直接按上 式确定尸节点的占。 2 2 4 流体条件 流体条件实际上针对的不是具体边界，而是一个单元组，即一个区域，因此称 为流体区域条件。所有激活的方程都要在这些单元上进行求解。 在贯流泵装置内，叶轮是旋转的，而其他过流部件都是绝对静止的。对贯流泵 于丽红：后置灯泡贯流泵装置进出水流道流态优化研究 1 5 装置内部流场的数值模拟，有两种方式：( 1 ) 动静结合的方式，作全通道模拟；( 2 ) 单通道方式，将叶轮与其他过流部件分开，单独进行流场计算。本文采用前一种 方式，即动静结合的全通道模拟。这样可以将整个计算域按照部件的相对运动关 系分为若干子区域，充分考虑各部件之间的相互作用，获得全面的流场信息。所 以在流体条件中，需要把叶轮室单独设定。 f l u e n t 软件对动静交界的处理，通常有以下三种解决方法：多参考系模型 ( m u l t i p l er e f e r e n c ef r a m e ) 、混合平面模型和滑移网格模型【5 9 】。 1 、多参考系模型( m r f ) 多参考系模型的基本思想是把旋转流场简化为在某一位置的瞬时流场，将非定 常问题用定常方法计算。旋转部件区域的网格