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学号 11 年级 11级 本科毕业论文本科毕业论文 专专 业业 姓姓 名名 指导教师指导教师 评评 阅阅 人人 二二 一五年五月一五年五月 中国中国 南京南京 摘要 I 摘 要 在全球能源日趋紧张和我国农业大力发展的今天 提高大型泵站装置效率是一 项十分重要的工作 贯流泵装置是一种新型低扬程泵站结构形式 由进出水流道 安装电机的贯流泵组成 该装置将泵站的引水与排水相结合 进 出水流道顺直 水力损失小 机组结构简单紧凑 造价低 便于实现双向抽水等特点 特别适用于 城市防洪排涝工程及农业排灌工程之中 目前 针对贯流泵装置效率偏低 研究偏少的状况 本文正是以某泵站贯流泵 装置为研究对象 通过CFD技术对其进行了性能优化设计及模型装置的综合性能研 究 主要的研究内容及成果如下 1 根据资料 建立研究对象的三维计算模型 并对其进行非结构化网格划分 及边界条件的设定 基于不可压缩连续方程 雷诺时均N S方程和S A湍流模型 建立了全流道三维湍流数值方法 2 通过正反向工况三维数值模拟 开展叶片翼型及叶轮安放位置 导叶翼型 及导叶安放位置的几何参数优化 获得最优模型为叶片采用A叶片型式 叶轮离竖井 位置为210mm 导叶采用不对称导叶型式 导叶离叶轮出口距离为23mm的模型 3 对最优模型进行了综合水力性能的数值计算及分析 得到了模型正反向综 合特性曲线与内部流场分布规律 最优模型装置正向效率为67 23 反向最高效率 为58 32 较优化前模型实验数据 设计工况下正反向效率均提高了5 以上 达到 了优化设计的目的 关键词关键词 双向 贯流泵 CFD 性能优化 综合特性 Abstract II Abstract Accompanying by the global energy shortage and our country agriculture vigorously development day by day it is very important to improve the pump installation efficiency for large pumping station The bidirectional pit pump installation is a new kind structure form of low lift head pumping system It is composed of inlet and outlet conduit pit for erecting motor and bidirectional pump This pumping system which combines water diversion with drainage has important characteristics of straight flow small hydraulic loss low investment and simple structure And it is also easy to realize the bidirectional pumping It is especially suitable for urban flood control and drainage and agricultural irrigation and drainage engineering At present owing to few researches and low efficiency for the bidirectional pit pump installation in this paper CFD Computational Fluid Dynamics technology is applied to its performance optimization design and comprehensive performance research Main contents and research achievements are shown as following 1 The 3D geometric model of research object is established according to original information and then carries on the unstructured mesh and boundary conditions the 3D steady turbulent flow of pumping installation based on the incompressible continuity equation the Navier Stokes equations and the Spalart Allmaras turbulence model established of 3D turbulent flow through the full passage of numerical method 2 Through the positive and reverse condition numerical simulation developing blade and guide vane and placement optimization of geometry parameters obtaining the optimal model for impeller type named A away from the shaft for 210mm and a symmetric guide vane which away from the impeller outlet of 23mm 3 The optimal model for the comprehensive hydraulic performance numerical calculation and analysis obtained the model positive and reverse synthetic characteristic curve and internal flow field distribution rule Optimal model of device positive and reverse efficiency of 67 23 and 58 32 compared with the experimental data of before design condition efficiency is increased by more than 5 has reached the purpose of optimization Keys words Two direction Shaft tubular pump CFD Performance optimization Synthetic characteristic 目录 III 目 录 第一章 绪论 2 1 1 研究背景和现实意义 2 1 2 研究现状 2 1 3 CFD软件介绍 2 1 3 1 CFD基础知识 2 1 3 2 FLUENT基本介绍 2 1 4 本文主要工作 2 第二章 贯流泵装置数值模拟方法 2 2 1 三维湍流数值模拟和计算方法 2 2 1 1 数值模拟的控制方程 2 2 1 2 湍流模型 2 2 1 3 数值计算方程的离散化 2 2 1 4 流场数值解法 2 2 贯流泵模型及网格划分 2 2 2 1 泵装置模型装置参数 2 2 2 2 模型泵装置及网格划分 2 2 3 双向竖井贯流泵模型边界条件 2 2 4 本章小结 2 第三章 贯流泵装置水力性能优化 2 3 1 叶片翼型及叶轮位置的优化设计 2 3 1 1 叶片翼型优化 2 3 1 2 叶轮安放位置优化确定 2 3 2 导叶翼型及导叶位置的优化设计 2 3 2 1 导叶翼型优化 2 目录 IV 3 2 2 导叶安放位置优化确定 2 3 3 本章小结 2 第四章 贯流泵最优模型综合特性分析 2 4 1 最优模型泵装置综合特性曲线 2 4 2 最优模型泵装置内特性分析 2 4 2 1 泵装置正向运行时水力特性 2 4 2 2泵装置反向运行时水力特性 2 4 3 试验数据的对比 2 4 4本章小结 2 第五章 总结与展望 2 5 1 全文总结 2 5 2 后续展望 2 参考文献 2 附表 2 致谢 2 贯流泵装置性能优化研究 1 第一章 绪论 1 1 研究背景和现实意义 自然界存在着多种能源 目前已被开发利用的能源主要有热能 水能 风能和 核能 其中水能是一种清洁的可再生能源 1 而水利又是我国农业发展的基本保证 我国是以农业为基础的发展中国家 农业的发展是我国国民经济的命脉 农业的发 展直接关系到我国国民经济发展的好坏 在我国 应力求水能资源得到合理的优化 配置 实现水能资源的可持续发展 在农业生产中 灌溉和排涝对农业生产有着重 大影响 改善排灌条件 提高泵站效率不仅对提高农业生产力有着巨大的促进作用 而且有利于降低自然灾害对农业生产的不利影响 我国北方水资源匮乏 而南水 北调工程则是解决我国北方水资源严重匮乏的重要战略举措 南水北调工程东线工 程具有扬程低 流量大 年运行时间长等特点 这些对泵站的效率都提出了严格的 要求 像这种跨流域调水的重大工程对于解决由于水资源匮乏而带来的一系列生态 问题也有明显促进作用 因此 提高泵站效率 实现水资源利用程度最大化将会具 有重大意义 新中国成立以来 机电排灌事业得到充分发展 而泵站是机电排灌的主体工程 它集灌水 排水 供水 调水作用于一身 在跨流域调水中扮演着重要角色 从 新中国成立开始到其后的50年间 我国的排灌泵站在抗御洪涝干旱灾害 保证农业 稳产与增产 改善农业生产条件 以及跨流域调水 解决城镇供水 促进国民经济 各部门发展中发挥了重要作用 取得了显著地经济效益与社会效益 2 纵观我国泵站 建设的特点就是速度快 类型多 规模大 范围广 合理规划 优化选型 精心设 计 精心施工 加强管理 优化运行 节能节水 效益显著 虽然我国水泵及泵站 的数量 规模已有较快的发展 但同时也存在一些缺点 主要是不少泵站装置效率 偏低 能源消耗大 抽水成本高 灌区工程配套不齐全 机电产品类型和质量问题 等 致使一些泵站经济效益低 此外 在某些技术方面与国外先进技术相比 也还 有一定的差距 有待于加大科研力度 希望通过更多水利工作者不断地探索与实践 争取赶上和超过国外先进水平 3 贯流泵装置具有进出水水流平顺流畅 水力损失小 装置效率高等特点 特别 第一章 绪论 2 适合于低扬程泵站工程 具有较大的应用价值和发展潜力 已有的贯流泵在正向抽 水时具有较好的水力性能 而反向抽水时效率却极低 约30 40 为了满足双 向抽水的要求 需要进一步研制贯流泵 但贯流泵不只是单向动能的回收与单向导 流问题 为了提高泵站的整体效率需要从整个过流部件 导叶以及原动机等布置 与合理优化等方面着手 4 贯流泵装置作为一种低扬程泵站结构形式 它将电机 齿轮箱安装在钢筋混凝土竖井内 具体特点如下 1 水泵进 出水流道顺直 泵站装置效率较高 2 与灯泡贯流泵装置相比 通风防潮条件好 运行和维 护方便 3 竖井本身尺寸笨重 刚度大 受力及变形分析简单 传力路径明确 5 基于以上特点 加上泵的优点 我们将两者结合起来 于是贯流泵装置应运 而生 贯流泵具有双向运行的特点 正向工况可作为引水工况则其反向工况可作为排 涝工况 这种运行特点很符合现如今农业水利发展的需要 但是作为双向泵 要同 时兼顾正向与反向的运行效率是比较困难的 这也是现如今水利工作者 专家对贯 流泵的研究重点 影响泵装置效率的主要是水流流态 对贯流泵内水流流态的分析 目前可以大力借助CFD技术 CFD的应用与计算机技术的发展密切相关 随着计算 机技术的快速发展 计算流体动力学 简称CFD 作为流体力学的一个分支已逐步 走向成熟 它在流体机械的研究和设计中得到了越来越广泛的应用 通过CFD数值 模拟 我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量 如速度 压 力 温度 能量损失 压力脉动等 的分布 以及这些物理量随时间的变化 充分 实现了流场的可视化 为我们分析问题 解决问题等提供了可靠的理论基础 同时 也克服了理论分析方法和实验测量方法的弱点 本文借助于CFD技术 通过对贯流泵装置内正反向工况的水流流动特性进行研 究 经过数值计算 分析贯流泵的叶片与导叶型式及其安放位置对水流流态的影响 进而实现泵装置的性能优化 最终得到水力性能较好的模型 分析贯流泵装置的整 体性能 为日后提高贯流泵装置的效率和减少泵站基建投资提供理论参考 对我国 贯流泵的发展具有重要的现实意义 1 2 研究现状 双向竖井贯流泵具有双向运行的特点和要求 其叶片及导叶翼型的设计也与单 向贯流泵或竖井泵不同 若能兼顾双向运行的效率 将会对农业发展及城市防洪工 贯流泵装置性能优化研究 3 程的建设做出巨大贡献 近几十年来 国内外许多专家 学者都曾对双向竖井贯流 泵进行过大量研究 施法佳 陈红勋等人 6 7 通过利用CFD技术 基于三维雷诺平均Navier Stocks方程 标准k 紊流模型和SIMPLE算法 对模型泵内流场进行了数值计算 经过对比验证了计算 方法的可行性 进而模拟了双向竖井贯流泵内部的三维粘性流场 预测了不同叶片 安放角下装置内部流场 最后提出了通过导叶配置形式来提高双向竖井贯流泵装置 效率 陈容新 关醒凡等人 8 9 则是对双向竖井贯流泵站模型泵装置进行了模型试验 按照流体力学相似原理的方法建立了黄麻涌双向竖井贯流泵站流道的装置模型 测 定了模型泵在指定叶片角度下的装置综合特性曲线 同时也测定了在不同工况运行 状态下的汽蚀性能 最后提出了泵站建设的注意事项的相应的改进措施 设计流道 时 要尽快减小竖井的宽度 同时将进出水流道的中分墩线尽量后移 适当增加大 轴长度 使水流的速度变化梯度减小 流态平稳 王玲花 刘大恺等人 10 11 是通过性能试验结果对双向贯流泵导叶设置与原动机 布置进行了研究 他们是根据双向贯流泵具有在正反向运行时效率都不能太低 而 导叶位置 导叶进出口安放角和叶栅稠密度等因素对泵出流流态产生影响 进而影 响泵装置效率提高的特点 通过单 双向贯流泵性能试验的对比分析 得出了 S 形双向贯流泵设置后导叶能显著提高泵的效率以及原动机布置在进水侧较为有利的 结论 郑源 张德虎等人 12 13 结合无锡梅梁湖泵站 对两种不同转轮在相同进 出水 流道情况下进行了能量特性实验研究 实验研究结果表明 竖井贯流式水泵在超低 扬程 1 2m 的调水工程中具有很好的水力性能 其模型泵装置的最高效率可达69 左右 该项试验研究为今后竖井贯流泵装置的进一步开发利用研究起到了很好的开 端 成立 刘超等人 14 15 16 则是针对城市水环境治理工程中的超低扬程双向抽水要求 运用三维数值模拟技术优化获得了泵装置进 出水流道型线和控制尺寸 使其原 型机运行效率在正反向时均超过了60 此外 他们还对对称翼型转轮双向泵装置紊 流进行了数值模拟和性能预测 计算采用RNG紊流模型 通过SIMPLEC算法 利用 控制容积有限元法离散三维不可压Navier 第一章 绪论 4 Stocks方程得到了双向泵装置定常流动 同时预测了泵装置的水力性能 与模型试验 结果对比吻合较好 龙凤华 张波等人 17 提出一种适合于大型低扬程竖井贯流泵进出水流道的优化 设计方法 经过装置模型试验验证 对水泵的进出水流态进行观察分析发现隔墩设 置位置及形式对进出水流态及水力损失系数影响较大 当隔墩靠近出水流道扩散段 出水流道内易形成回流 增加水力阻力损失 当隔墩设置在出水流道扩散管稍后 时 出水流态较明显改善 而将隔墩断面改为锥形圆头断面时 出水流态得到显著 改善 此时出水流道内的水力阻力损失系数最小 刘君 郑源等人 18 利用CFD技术对前置竖井和后置竖井的贯流泵装置的进出水 流道 泵室段和出水流道在设计流量工况下的基本流态进行分析 发现前置竖井贯 流泵的进 出水流态都较好 而后置竖井贯流泵装置的进水流态均匀平顺 但出水 流道的流态较混乱 水力损失相对较大 效率也低于前置竖井贯流泵装置 导叶和 竖井是影响出水流态和泵装置效率的关键因素 在导叶环量和竖井影响下极易产生 脱流和漩涡 综上所述 CFD技术在许多学者专家的研究方法里占据重要位置 可见CFD技术的实用性 现 如今的专家学者更多的是对竖井贯流泵装置进行优化设计或性能分析 对双向贯流 泵的研究相对较少 双向竖井贯流泵的研究则更是少之又少 由于双向竖井贯流泵 是兼顾双向贯流泵和竖井贯流泵的综合优点 其研究及优化改造相对困难 在实际 泵站建设中 所要追求泵站建设的经济性和实用性 既要努力使泵装置的效率要高 还要尽可能的减少基建投资 在不影响双向竖井贯流泵装置整体效率的情况下 尽可能的减少泵装置的整体建造尺寸 对于泵站建设的投资及技术经济指标都有很 好的指导意义 1 3 CFD软件介绍 1 3 1 CFD基础知识 CFD是计算流体动力学 Computational Fluid Dynamics 的简称 是流体力学的一个分支 它是一种借助与计算机的强大计算能 力与显像能力实现的 通过计算机模拟获得某种流体在特定条件下的相关特性 并 贯流泵装置性能优化研究 5 且对包含有流动特性和热传导等相关物理现象系统作出分析 简单来说 CFD技术 是借助计算机来代替模型试验装置完成试验 它的基本思想可以归纳为 将原来在 时间域和空间域的一些连续的物理量的场 如速度场 压力场和温度场等 用一 系列的有限个离散点上的变量值的集合来代替 再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的代数方程组 然后求解代数方程组获得场变量的近似 值 19 近二十几年来 CFD技术有了很多突破性的发展 它已经逐步替代了经典流体 力学中的一些近似计算方法和一些图解法 作为研究流体运动问题的完整体系之一 CFD方法克服了理论分析方法的局限性及实验测量方法的精度差 投资高 周期 长等缺点 只需在计算机上设定一个特定的计算便可以形象的再现流场流动的情景 CFD现如今已不仅仅是作为研究工具 更是扮演了一种重要的设计工具角色 它 的应用领域范围很广 包括航空航天工程 热能动力工程 土木水利工程 环境化 学工程 海洋船舶工程 汽车铁路工程 流体机械工程 食品工程和工业制造工程 等领域发挥重要的作用 过去为了完成CFD的计算 用户多是自己编写计算程序 可是由于CFD软件的 复杂性及计算机硬件条件的多样性 使得用户各自的应用程序往往缺乏通用性 而C FD本身又有其鲜明的系统性和规律性 因此 比较适合于被制成通用的商用软件 自1981年以来 出现了如PHOENICS CFX STAR CD FIDIP FLUENT等多个商用CFD软件 这些软件有功能比较全面且适应性很强 稳定性高速度快等特点 随着计算机技术的发展 CFD作为能够将工程实际与理 论分析很好结合的软件 在工程领域发挥着越来越重要的作用 发展也日趋成熟 而FLUENT就是运用较为成熟的计算软件 本文主要借助于FLUENT进行数值计算 1 3 2 FLUENT基本介绍 FLUENT是由美国FLUENT公司于1983年推出的CFD软件 它是继PHOENICS软件之 后的第二个投放市场的基于有限体积法的软件 它是目前功能最全面 适用性最广 国内使用最广泛的CFD软件之一 FLUENT提供了非常灵活的网格特性 让用户可以使用非结构网格 包括三角形 四边形 四面体 六面体 金字塔形网格来解决具有复杂外形的流动 甚至可以 第一章 绪论 6 用混合型非结构网格 它允许用户根据解的具体情况对网格进行修改 细化 粗化 FLUENT使用GAMBIT作为前处理软件 它可以读入多种CAD软件的三维几何模 型和多种CAE软件的网格模型 FLUENT可用于二维平面 二维轴对称和三维流动分 析 可完成多种参考系下流场模拟 进行定常与非定常流动分析 不可压流和可压 流计算 层流和湍流模拟 传热和热混合分析 化学组分混合和反应分析 多孔介 质分析等 它的湍流模型包括k 模型 S A模型 Reynolds应力模型 LES模型 标准壁面模型 双层近壁面模型等 FLUENT可以用户定义多种边界条件 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儿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 FLUENT提供的用户自定义子程序功能 可以让用户自行设定连续方 程 动量方程 能量方程或组分运输方程中的体积源项 自定义边界条件 初始条 件 流体的物性 添加新的坐标方程和多空介质模型等 FLUENT是用C语言写的 可实现动态内存分配及高效数据结构 具有很大的灵 活性与很强的处理能力 此外FLUENT使用Client Server结构 它允许同时在用户桌 面工作站和强有力的服务器上分离运行程序 FLUENT可以在Windows 2000 XP Linux Unix操作系统下运行 支持并行处理 在FLUENT中 解的计算与显示可以通过交互式的用户界面来完成 用户可通过 多窗口方式随时观察计算的进程和计算结果 计算结果可以用云图 等值线图 矢 量图 XY散点图等多种方式显示 存储和打印 甚至传送给其他CFD或FEM软件 FLUENT提供了用户编程接口 让用户定制或控制相关的计算和输入输出 在使用FLUENT进行数值运算时 大致采用如下顺序 1 在FLUENT前处理器GAMBIT软件中进行三维几何模型的建立 并完成几 何模型的网格划分及计算边界条件的设定 2 启动FLUENT求解器 运行合适的解算器 读入网格模型 并检查网格模 型是否存在问题 设定模型建立所使用的单位 3 选择求解器及运行环境 如求解器类型 差分格式 速度表达式 流动类 贯流泵装置性能优化研究 7 型等 4 选择计算模型 主要是选择所需计算的模型是属于粘性模型 层流或湍流 传热模型 化学组分还是化学反应等 5 选定流体的名称 设定流体的物理特性及操作条件 6 设置计算的各边界的边界条件 包括流体属性及特殊位置的工况参数 7 进行交界面名称定义 8 确定求解控制参数和收敛标准 主要是选择各种离散格式和合适的迭代计 算中的松弛因子 9 初始化流场 10 进行求解计算 11 显示计算结果 并检查判断是否达到收敛 12 保存求解的结果 cas dat 13 如有必要 修改网格或计算模型 再重复上述过程重新进行计算 1 4 本论文主要工作 本论文以某泵站双向竖井贯流泵装置为模型 利用CFD技术对该双向竖井贯流 泵装置的正反向工况流态进行分析 主要完成以下工作 1 根据资料 建立研究对象的三维几何模型 并对其进行网格划分及边界条 件的设定 基于不可压缩连续方程 雷诺时均N S方程和S A湍流模型 建立全流道三维湍流数值方法 2 对两种备选叶片进行在设计工况下的正反向运行的三维数值模拟 进行对 比分析与优化选择 同时分析叶轮安放位置对装置内水流流态的影响 为泵站建设 减少投资提供参考依据 3 在叶片型式及叶轮位置优化设计的基础上 对两种备选导叶进行设计工况 下正反向运行的数值模拟 完成导叶翼型的优化设计 选择较优导叶翼型进行导叶 安放位置对比分析 通过分析导叶段的水流流态与装置效率来进行导叶位置的优化 选择 4 通过模型装置的叶片及导叶部分的优化设计 选择较优模型方案 进行5 第一章 绪论 8 个叶片安放角度 每个角度下12个流量工况点的数值计算 并分析典型工况点装置 内部流动规律 评估该双向竖井贯流泵装置模型的综合水力特性 为今后类似泵站 建设提供选型参考 贯流泵装置性能优化研究 9 第二章 贯流泵装置数值模拟方法 为了能够准确真实的获得双向竖井贯流泵内部流场 分析装置进出口水流流态 得 到造成水力损失的原因 对比不同情况下装置性能好坏 从而实现对装置的优化改 造 我们需要借助计算流体力学对模型进行三维数值计算 2 1 三维湍流数值模拟和计算方法 湍流流动是自然界常见的流动现象 在多数工程问题中流体的流动往往处于湍 流流态 湍流特性在工程中占有重要地位 而流体的各种运动都遵循自然界最基本 的3个物理规律 即质量守恒定律 动量守恒定律 能量守恒定律 这3个规律所代 表的控制方程能够描述自然界流体的运动规律 并以此来预测流体运动规律 实现 流场的数值模拟 并且通过流体的三维数值模拟来得到复杂流场中各点处基本物理 量分布情况 2 1 1 数值模拟的控制方程 比较这些基本控制方程 可以看出 尽管这些方程中因变量各不相同 但它们 均反映了单位时间单位体积内物理量的守恒性质 若用表示通用变量 则上述的控 制方程都可表示为以下通用形式 2 1 2 湍流模型 水流运输问题中的实际水流几乎都是湍流 湍流是一种高度复杂的三维非稳态 带旋转的不规则流动 流动中任一点的速度 压力等物理量都随时间而瞬息变化 不同空间点上有不同的随时间变化规律 湍流运动的特性可用连续方程及N S方程来描述 通过将两个方程的进行离散化及对离散方程组的联立求解 可以得到 计算域内各处的流速和压力信息 24 水泵装置内部的水流均包含有复杂的三维湍流 运动 2 1 3 数值计算方程的离散化 在对指定问题进行CFD计算之前 首先要将计算区域离散化 即对空间上连续 第二章 双向竖井贯流泵装置数值模拟方法 10 的计算区域进行划分 把它划分成许多个子区域 并确定每个区域中的节点 从而 生成网格 通过数值的方法把计算域内有限数量位置 即网格节点 上的因变量值 当作基本未知量来处理 从而建立一组关于这些未知量的代数方程组 即建立离散 方程组 然后在计算机上求解离散方程组 得到节点的解 而节点之间的近似解可 以用插值法确定 一般认为 当网格节点很密时 离散方程的解将趋近于相应微分 方程的精确解 2 2 双向竖井贯流泵模型及网格划分 本文以某泵站双向竖井贯流泵为研究对象 为了对其进行数值计算 必须对其 进行计算域的确定 即泵站的进 出水流道 过渡流道 叶轮段及导叶段的几何建 模 本节就主要介绍模型建立过程 模型网格划分及边界条件的确定 2 2 1 泵装置模型装置参数 双向竖井贯流泵模型装置由进 出水流道 过渡段 进水流道至叶轮段 叶 轮段 导叶段 本装置采用后置导叶型式 等几部分组成 图2 4为模型流道单线图 以此图为基准进行三维建模 2 2 2 模型泵装置及网格划分 本文模型装置使用GAMBIT2 3 16软件进行三维建模 图2 5是模型装置的三维透视图 以A叶片及不对称导叶为例 2 3 双向竖井贯流泵模型边界条件 所谓边界条件 是指在求解域的边界上所求解的变量或其一阶导数随地点及时 间变化的规律 通过给定合理的边界条件 计算出流场的解 常用的边界条件类型 有 流动 速度 压力 质量 进口边界 流动 速度 压力 质量 出口边界 壁面边界 对称边界和周期性边界等 2 4 本章小结 本章首先介绍了数值计算的基本原理 结合双向竖井贯流泵装置数值计算的特 贯流泵装置性能优化研究 11 点介绍CFD所使用控制方程 控制方程的离散方法 流场数值解法 三维湍流模型 和边界条件等 并详细介绍了FLUENT的特点与用其进行CFD计算的步骤 接着就本 双向竖井贯流泵介绍了网格划分的要点及方法 归纳了本装置网格划分的过程及结 果 最后介绍了边界条件的一般类型及泵装置边界条件的设定 第三章 贯流泵装置水力性能优化 12 第三章 贯流泵装置水力性能优化 本章以某泵站的双向竖井贯流泵装置为研究对象 分析其流动特性 应用不可压缩 的连续方程和雷诺时均N S方程求解模型泵装置内水的流动情况 采用S A模型使方程组封闭 采用上章所述非结构化网格模型 应用有限体积法对非结构化 网格下的控制方程在空间进行离散 对控制方程中的压力项采用了二阶中心差分格 式 动量项采用二阶迎风格式 湍动粘度修正采用二阶迎风格式 应用SIMPLEC方 法对离散方程进行求解 3 1 叶片翼型及叶轮位置的优化设计 叶片在泵装置中是处于核心地位的 它的主要作用是对水做功 而其做功能力的大 小直接影响着整个泵装置的效率及水力损失的大小 叶片的做功能力是研究泵装置 性能的重要考察部分 要兼顾双向竖井贯流泵装置双向运行的特性 需要对叶片的 翼型型式进行优化设计 叶轮离竖井的距离关系到机组的稳定性与泵站建设时的经 济性 因此也是需要着重考虑的 3 1 1 叶片翼型优化 装置设计时有两种备选叶片 一种是A叶片 其叶片数为4 另一种是B叶片 其叶片数为3 就两种叶片型式在相同导叶型式的前提下 计算设计流量下的流动情 况进行比较 在所给定的两种叶片型式中比较其内外特性的差异来选择性能更优的 叶片 表3 1 不同叶片翼型方案外特性对比 正向工况 叶片型式 流 量 l s 转 速 r min 扬 程 m 总效率 轴功率 kW 叶轮效率 A叶片242 1511051 501366 87575 33382 2604 贯流泵装置性能优化研究 13 B叶片242 1511051 711360 17396 75685 0151 从表3 1可以看出 两种叶片型式的正向外特性存在一定的差异 两种叶片装置的扬程值差 别稍大 均在允许范围之内 B叶片的叶轮效率略大于A叶片 说明在叶轮段B叶片 的做功能力稍大于A叶片 但从泵装置整体效率来讲 B叶片的装置效率为60 17 而A叶片装置效率可达66 88 说明B叶片装置其他区域水力损失较大 虽然B叶片 叶轮效率高于A叶片 但是从泵装置整体来考虑 我们认为从正向工况来看 A叶片 还有优于B叶片 3 1 2 叶轮安放位置优化确定 初步设计时将过渡段流道的长度取为270mm 现拟定6个方案 分别将模型泵装 置的叶轮离竖井的位置减小0mm 30mm 60mm 90mm 120mm 150mm 即现在 过渡段的距离 L 方案为270mm 240mm 210mm 180mm 150mm 120mm这6 种方案进行内外特性的对比 目的是找到一合适的距离既能够提高或保持泵装置的 正反向效率 又能缩短装置轴向尺寸 从而减少原型泵基建投资 表3 3 不同叶轮位置方案外特性对比 正向工况 L mm 流量 l s 转速 r min 扬程 m 功率 kW 效率 270242 1511051 50135 33366 8757 240242 1511051 49645 30566 9994 210242 1511051 50675 32467 2259 180242 1511051 50325 35066 7390 150242 1511051 50505 35866 7201 120242 1511051 49865 35966 4274 从表3 3不难发现 随着叶轮位置离竖井距离越近 泵装置的正向效率先增大后又减小 但 幅度不大 反向效率则是叶轮离竖井位置越近 效率有所提高 由此可见 适当减 小叶轮离竖井的距离可以提高正向效率 反向效率虽有小部分下降 但此影响可忽 第三章 贯流泵装置水力性能优化 14 略 这样缩短了装置过渡段流道的长度后能够减小装置的轴向尺寸 从而大大降低 基建投资 经济性得到了有力保证 扬程整体变化不明显 且无特定规律 但整体 的变化差值是在要求范围之内的 3 2 导叶翼型及导叶位置的优化设计 在竖井贯流泵中 根据有关文献可知设置前导叶可以起到导流的作用 设置后 导叶可以起到回收水流动能 消除转轮出口处环量的作用 而对于双向竖井贯流泵 装置来说 导叶的翼型与导叶位置的设置对泵装置正反向运行时进出水流流态及泵 装置的水力损失都有影响 考虑到双向运行的要求 我们需要进行导叶翼型及位置 的优化设计 力求能够提高泵装置正反向运行的综合效率 3 2 1 导叶翼型优化 现有两种备选翼型导叶 一种是原设计方案中的不对称导叶 另一种是考虑到 了双向竖井贯流泵的双向运行要求设计的对称导叶 在叶片优化设计的基础上 分 别对两种不同翼型导叶进行设计流量工况下的数值模拟 计算其水力性能选择较优 的导叶翼型 3 2 2 导叶安放位置优化确定 在本文研究的双向竖井贯流模型泵装置中 导叶离叶轮出口处的距离 S 是按 照轮毂半径 R 46mm 的倍数递增 分别为0 5倍轮毂半径 1倍轮毂半径 1 5倍轮 毂半径 2倍轮毂半径四种工况 分别计算了在设计流量下正反向的水力特性来进行 比较 从而选出最优距离 3 3 本章小结 本章通过数值计算的方法模拟了双向竖井贯流泵装置内部流动 反映了泵内部 水流特性 通过对设计流量工况下的不同叶片与导叶 叶轮安放位置及导叶安放位 置模型进行数值模拟计算 分析其水力特性 达到叶片与导叶优化设计的目标 经 过对比分析选择出最优模型使得泵装置正反向运行效率最好 贯流泵装置性能优化研究 15 第四章 最优模型综合特性分析 经过第三章的对该双向竖井贯流泵装置的叶片及叶轮位置 导叶及导叶位置进行优 化设计之后 选择出最优方案为A叶片 叶轮离竖井距离为210mm 导叶为不对称导 叶 导叶离叶轮出口距离为23mm的模型为最优模型 其三位透视图如图4 1所示 4 1 最优模型泵装置综合特性曲线 泵装置扬程特性曲线的总体趋势无论正反向均为扬程随着流量的增大而减小 即在同一叶片安放角情况下 扬程随流量的增加而逐渐减小 水泵装置在同一扬程 下所对应的流量亦随着水泵叶片安放角 4 2 0 2 4依次增大 4 2 最优模型泵装置内特性分析 根据最优模型泵装置综合特性曲线 叶片安放角为0度时泵装置正向效率最高 因此 选择叶片安放角为0度的模型作为研究对象 分别分析其小流量工况 最优工 况 大流量工况下正 反向运行时的水力性能 4 2 1 泵装置正向运行时水力特性 大流量工况时 装置进出口总压差较小 故其净扬程较小 其出水流道内压强 分布梯度较明显 分布近似对称 故水流流态相对平稳 小流量时 流道内水流流速相对较小 出水流道内的水流持续紊乱 导致出水 流道入口处存在着较大范围的回流 偏流及漩涡等不良流态 造成其在出水流道内 水力损失增加 泵装置效率下降 4 2 2 泵装置反向运行时水力特性 小流量时 流道内水流速度相对较小 装置进出口总压差较大 故其净扬程较 大 在装置导叶段出现明显低压区 影响导叶的空化 空蚀性能 4 3 试验数据的对比 第四章 最优模型综合性能分析 16 泵装置原型为某枢纽泵站 此泵站为特低扬程双向泵站 初步设计采用竖井贯 流泵 设计流量40 m s 单机设计13 5 m s 安装3台机组 初定叶轮直径为2240mm 水泵转速148rpm 泵站特征扬程如下 4 4 本章小结 本章主要是通过对最优模型的数值计算 绘出其正反向综合特性曲线 分析了 装置外特性 选取了正向效率最高的叶片安放角模型为研究对象 得到三种特殊流 量工况 小流量工况 最优工况和大流量工况 下的装置水平剖面静压分布 迹线 图及叶片翼型周围的相对速度分布图 通过分析比较得出双向竖井贯流泵装置最优 模型的内部流态情况 阐述了不同流量工况对模型水力特性的影响 对最优模型进 行了性能分析 并且通过与试验数据的对比证明了优化后的模型具有较好的水力性 能 达到了优化设计的目标 贯流泵装置性能优化研究 17 第五章 总结与展望 5 1总结 本文运用计算流体动力学 CFD 数值模拟研究方法 对某泵站双向竖井贯流 泵模型装置进行了优化设计及流动特性研究 主要内容及取得的成果如下 1 结合双向竖井贯流泵的特点介绍了计算流体动力学 CFD 的基本原理并 以FLUENT软件为重点介绍了常用的CFD软件 2 利用GAMBIT软件对计算模型进行了细致的网格划分及计算域内边界条件 的设定 3 通过数值模拟对双向竖井贯流泵模型装置的叶片及叶轮位置 导叶及导叶 位置进行了性能优化研究 得到最优模型是叶片翼型为A叶片 叶轮位置离竖井距离 为210mm 导叶为不对称导叶 导叶位置离叶轮出口为0 5倍轮毂半径时模型装置性 能较优 此结果及研究过程可供类似泵站优化设计参考 4 通过数值模拟对优化设计后的最优模型进行综合特性分析 借助FLUENT6 3软件对其进行了不同角度不同流量工况下的数值计算 并利用AutoCAD软件绘制 模型正反向综合特性曲线 进行了模型外特性的分析 揭示了一定的规律 并对模 型水平剖面压力分布 迹线分布及叶片翼型周围水流相对速度分布进行了细致分析 揭示了最优模型不同工况条件下内部流场的特点及规律 5 2 展望 本文运用整体的数值模拟技术 通过对双向竖井贯流泵模型装置叶片与导叶的 翼型及其安放位置进行优化设计 得到水力性能较优的模型装置 并且对该最优模 型进行了内外特性的总体分析 揭示了双向竖井贯流泵模型装置的三维流动特点 针对数值模拟的结果 仅做了一些简单的对比分析 在装置的性能优化及装置内外 特性的问题上还有很多问题值得深入研究 1 考虑到计算时间与计算机资源的限制 本文采用S A模型作为湍流封闭模型 如果要更精确的研究其流动特性从而进行优化设计 可能 第五章 总结与展望 18 需要采用其他湍流模型进行对比分析 2 在模型装置的进出口认为速度和压力分布均匀 而实际上并不是这样 即 进行了一些简化处理 3 本文叶片及导叶的翼型设计备选方案较少 只选取了两种设计方案进行对 比 在实际优化设计中 考虑到双向竖井贯流泵装置双向运行的要求应针对不同设 计要求设置多个翼型备选方案 从而进行更全面的优化设计 进一步寻找适合双向 泵站的叶片和导叶配置形式 4 本文只是针对泵装置的叶片和导叶进行了优化设计 其他过流部件如竖井 形线的优化等需要进一步研究 基于CFD的双向竖井贯流泵装置性能优化研究 19 参考文献 1 郑源 水轮机 M 北京 中国水利水电出版社 2007 2 刘光临 中国泵站工程50年的建设与发展 J 中国农村水利水电 1999 10 5 7 3 张旭 中国泵站工程的现状与发展 J 科技情报开发与经济 2002 12 4 210 211 4 王玲花 刘大恺 陈德新 双向贯流泵导叶设置与原动机布置的研究 J 河海大学学2002 30 1 106 108 5 张仁田 不同形式贯流式水泵特点