泵站出水流道基本流态分析

1、泵站出水流道基本流态分析            摘要：为了改进泵站出水流道的水力设计方法，采用三维紊流数值模拟的方法，模拟了虹吸式、直管式和斜式三种型式出水流道内的流动形态；发现出水流道平面方向上的扩散情况较好，而立面方向在出口断面附近则不同程度地存在着旋涡，该旋涡对流道出口断面的流速分布有很明显的影响；提出在流道设计时应最大限度地利用流道宽度方向的扩散，以免出口断面的有效面积过多地被旋涡挤占。 关键词：泵站 出水流道 流态  近十几年来，我国对水泵装置作了大量的研

2、究工作，特别是对低扬程轴流泵水力模型和进水流道优化水力设计的研究已取得很多进展，有许多成果已经在泵站工程中得到成功的应用。由于种种原因，人们对进水流道内的流态比较注意、比较了解，而对出水流道内的流态则缺乏较为深入的了解。在过去相当长的一段时期内，只做过一些关于出水流道水力损失方面的试验研究。出水流道是水泵装置的一个重要组成部分，对水泵装置的性能有非常明显的影响。出水流道的水力设计至今仍建立在传统的一维流动理论的基础上，这种理论与出水流道实际的三维流动情况出入很大。近些年来，人们对出水流道在水泵装置，尤其是在低扬程水泵装置中的作用，已经有了愈来愈清楚的认识，提出了重视研究出水流道水力设计理论和方

3、法的要求。1997年9月1日颁布实施的国家标准泵站设计规范所规定：“出水流道布置对泵站的装置效率影响很大，因此流道的型线变化应比较均匀”1。流道的外特性是由其内特性决定的，对流道内特性的认识应是更为本质的认识。本文采用三维紊流数值模拟的方法，对虹吸式、直管式和斜式出水流道内的基本流态进行了初步的分析计算，力图揭示这三种形式出水流道内的三维流动形态，为认识和解决各类有关出水流道的水力学问题奠定必要的基础。1 出水流道流动模拟的数学模型泵站出水流道三维流动模拟采用了雷诺平均N-S方程，并以标准-紊流模型使方程组闭合。选用这种模型的原因，是因为试验证明，标准-紊流模型对三维流动是非常适用的2。1.1

4、 控制方程 在定常条件下，泵站出水流场的不可压流动可用以下一组方程描述：1.连续方程(2)3.紊动能方程(4)上述各式中，xi(i=1,2,3)为坐标系坐标，ui(i=1,2,3)分别为沿i方向的速度分量，fi为沿i方向的质量力，p为压力，为水的密度，v为水的运动粘性系数。Pr为紊动能生成率，其表达式为这里，为von Karman常数3-5。(1)(4)式也可统一地用下列椭圆型守恒方程式表示：(6)3.固体壁面出水流道边壁、出水池底部等处均为固体壁面，其边界条件按固壁定律处理8。固壁边界条件的处理中对所有固体壁面的节点应用了无滑移条件，而对紧靠固体壁面节点的紊流特性，则应用了所谓对数式固壁函数

5、处理之。固壁处的摩擦速度可表为：u*=uw/ln(zw/dw)(7)式中，zw为靠近固壁的单元的中心至固壁的距离，dw为固壁的绝对糙度，uw为该单元平行于固壁的速度分量。和可分别表为：    2007-04-29        (10)式中，zs为靠近自由表面单元的中心至自由表面的距离，s为该单元的紊动能量，CBE=0.079。1.3 离散方程 出水流道流场的数值计算采用了控制体积法，虹吸式出水流道、直管式出水流道和15°斜式出水流道的网格剖分情况分别示于图1、图2

6、和图3所示。图4所示为计算中采用的错列式网格系统(图中仅给出x-y平面的网格示意图，其它两个平面的网格与此类似)，非矢量变量的网格点均位于单元体的中心，而速度变量的网格点则位于单元体之间的交界面上。图2 直管式出水流道的网格剖分图4 错列式网格示意图(X-Y平面)图6 虹吸式出水流道纵向断面内的流态在设计流量的基础上，将计算流量增加或减少20%，发现流量愈大，立面方向的旋涡强度愈大、旋涡影响区域愈大，但流道内的基本流动形态并未发生实质性变化。图7给出了以相对值表示的虹吸式出水流道出口断面等流速线图，图中数字表示相对于断面平均流速的倍数，流速大于零表示水流流出流道，流速小于零则表示水流流进流道。

7、由图可见，虹吸式出水流道出口附近存在的旋涡挤占了流道出口的有效出流面积，被挤占的面积约占出口总面积的30%.流速的分布在流道高度方向上具有很明显的规律：愈往上，流速愈大。最大的流速达到平均流速的2.6倍，而最小的则为平均流速的负0.4倍，分布极为不均匀。以往常用流量除以流道出口断面积来计算出口的平均速度，未曾考虑到流道出口存在着的旋涡，由于有效出流面积的减小，实际的平均速度要高出计算值40%左右。图8 直管式出水流道纵向断面内的流态直管式出水流道与水泵出口的60°弯管相接，流道断面形状由圆变方，在平面方向和立面方向均逐渐扩大，使流道内平均流速逐渐减小。图8给出了直管式出水流道设计流量时纵向平面内的流态，图9则给出了出水流道出口断面的流速分布。从流动数值模拟结果可以看出，直管式出水流道内的流态比较平顺，只是在进入出水池以后，水流突然扩散，因而在出水池底部产生一个并不很强烈、但影响范围较大的旋涡，出水池内的主流明显