泵站出水流道基本流態(tài)分析

1、泵站出水流道基本流態(tài)分析            摘要：為了改進(jìn)泵站出水流道的水力設(shè)計(jì)方法，采用三維紊流數(shù)值模擬的方法，模擬了虹吸式、直管式和斜式三種型式出水流道內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)；發(fā)現(xiàn)出水流道平面方向上的擴(kuò)散情況較好，而立面方向在出口斷面附近則不同程度地存在著旋渦，該旋渦對(duì)流道出口斷面的流速分布有很明顯的影響；提出在流道設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)最大限度地利用流道寬度方向的擴(kuò)散，以免出口斷面的有效面積過(guò)多地被旋渦擠占。 關(guān)鍵詞：泵站 出水流道 流態(tài)  近十幾年來(lái)，我國(guó)對(duì)水泵裝置作了大量的研

2、究工作，特別是對(duì)低揚(yáng)程軸流泵水力模型和進(jìn)水流道優(yōu)化水力設(shè)計(jì)的研究已取得很多進(jìn)展，有許多成果已經(jīng)在泵站工程中得到成功的應(yīng)用。由于種種原因，人們對(duì)進(jìn)水流道內(nèi)的流態(tài)比較注意、比較了解，而對(duì)出水流道內(nèi)的流態(tài)則缺乏較為深入的了解。在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，只做過(guò)一些關(guān)于出水流道水力損失方面的試驗(yàn)研究。出水流道是水泵裝置的一個(gè)重要組成部分，對(duì)水泵裝置的性能有非常明顯的影響。出水流道的水力設(shè)計(jì)至今仍建立在傳統(tǒng)的一維流動(dòng)理論的基礎(chǔ)上，這種理論與出水流道實(shí)際的三維流動(dòng)情況出入很大。近些年來(lái)，人們對(duì)出水流道在水泵裝置，尤其是在低揚(yáng)程水泵裝置中的作用，已經(jīng)有了愈來(lái)愈清楚的認(rèn)識(shí)，提出了重視研究出水流道水力設(shè)計(jì)理論和方

3、法的要求。1997年9月1日頒布實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范所規(guī)定：“出水流道布置對(duì)泵站的裝置效率影響很大，因此流道的型線變化應(yīng)比較均勻”1。流道的外特性是由其內(nèi)特性決定的，對(duì)流道內(nèi)特性的認(rèn)識(shí)應(yīng)是更為本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。本文采用三維紊流數(shù)值模擬的方法，對(duì)虹吸式、直管式和斜式出水流道內(nèi)的基本流態(tài)進(jìn)行了初步的分析計(jì)算，力圖揭示這三種形式出水流道內(nèi)的三維流動(dòng)形態(tài)，為認(rèn)識(shí)和解決各類有關(guān)出水流道的水力學(xué)問(wèn)題奠定必要的基礎(chǔ)。1 出水流道流動(dòng)模擬的數(shù)學(xué)模型泵站出水流道三維流動(dòng)模擬采用了雷諾平均N-S方程，并以標(biāo)準(zhǔn)-紊流模型使方程組閉合。選用這種模型的原因，是因?yàn)樵囼?yàn)證明，標(biāo)準(zhǔn)-紊流模型對(duì)三維流動(dòng)是非常適用的2。1.1

4、 控制方程 在定常條件下，泵站出水流場(chǎng)的不可壓流動(dòng)可用以下一組方程描述：1.連續(xù)方程(2)3.紊動(dòng)能方程(4)上述各式中，xi(i=1,2,3)為坐標(biāo)系坐標(biāo)，ui(i=1,2,3)分別為沿i方向的速度分量，fi為沿i方向的質(zhì)量力，p為壓力，為水的密度，v為水的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。Pr為紊動(dòng)能生成率，其表達(dá)式為這里，為von Karman常數(shù)3-5。(1)(4)式也可統(tǒng)一地用下列橢圓型守恒方程式表示：(6)3.固體壁面出水流道邊壁、出水池底部等處均為固體壁面，其邊界條件按固壁定律處理8。固壁邊界條件的處理中對(duì)所有固體壁面的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用了無(wú)滑移條件，而對(duì)緊靠固體壁面節(jié)點(diǎn)的紊流特性，則應(yīng)用了所謂對(duì)數(shù)式固壁函數(shù)

5、處理之。固壁處的摩擦速度可表為：u*=uw/ln(zw/dw)(7)式中，zw為靠近固壁的單元的中心至固壁的距離，dw為固壁的絕對(duì)糙度，uw為該單元平行于固壁的速度分量。和可分別表為：    2007-04-29        (10)式中，zs為靠近自由表面單元的中心至自由表面的距離，s為該單元的紊動(dòng)能量，CBE=0.079。1.3 離散方程 出水流道流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算采用了控制體積法，虹吸式出水流道、直管式出水流道和15°斜式出水流道的網(wǎng)格剖分情況分別示于圖1、圖2

6、和圖3所示。圖4所示為計(jì)算中采用的錯(cuò)列式網(wǎng)格系統(tǒng)(圖中僅給出x-y平面的網(wǎng)格示意圖，其它兩個(gè)平面的網(wǎng)格與此類似)，非矢量變量的網(wǎng)格點(diǎn)均位于單元體的中心，而速度變量的網(wǎng)格點(diǎn)則位于單元體之間的交界面上。圖2 直管式出水流道的網(wǎng)格剖分圖4 錯(cuò)列式網(wǎng)格示意圖(X-Y平面)圖6 虹吸式出水流道縱向斷面內(nèi)的流態(tài)在設(shè)計(jì)流量的基礎(chǔ)上，將計(jì)算流量增加或減少20%，發(fā)現(xiàn)流量愈大，立面方向的旋渦強(qiáng)度愈大、旋渦影響區(qū)域愈大，但流道內(nèi)的基本流動(dòng)形態(tài)并未發(fā)生實(shí)質(zhì)性變化。圖7給出了以相對(duì)值表示的虹吸式出水流道出口斷面等流速線圖，圖中數(shù)字表示相對(duì)于斷面平均流速的倍數(shù)，流速大于零表示水流流出流道，流速小于零則表示水流流進(jìn)流道。

7、由圖可見(jiàn)，虹吸式出水流道出口附近存在的旋渦擠占了流道出口的有效出流面積，被擠占的面積約占出口總面積的30%.流速的分布在流道高度方向上具有很明顯的規(guī)律：愈往上，流速愈大。最大的流速達(dá)到平均流速的2.6倍，而最小的則為平均流速的負(fù)0.4倍，分布極為不均勻。以往常用流量除以流道出口斷面積來(lái)計(jì)算出口的平均速度，未曾考慮到流道出口存在著的旋渦，由于有效出流面積的減小，實(shí)際的平均速度要高出計(jì)算值40%左右。圖8 直管式出水流道縱向斷面內(nèi)的流態(tài)直管式出水流道與水泵出口的60°彎管相接，流道斷面形狀由圓變方，在平面方向和立面方向均逐漸擴(kuò)大，使流道內(nèi)平均流速逐漸減小。圖8給出了直管式出水流道設(shè)計(jì)流量時(shí)縱向平面內(nèi)的流態(tài)，圖9則給出了出水流道出口斷面的流速分布。從流動(dòng)數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，直管式出水流道內(nèi)的流態(tài)比較平順，只是在進(jìn)入出水池以后，水流突然擴(kuò)散，因而在出水池底部產(chǎn)生一個(gè)并不很強(qiáng)烈、但影響范圍較大的旋渦，出水池內(nèi)的主流明顯