1、文 章编号 : 1672 - 2558 ( 2009 ) 03 - 0051 - 05多机 组泵 站 进水 池 优化水 力设计杲 东彦 1 ,李大 亮 2 ,杨文亮 3( 1. 南京工程学 院能源与动 力工程学院 ,江苏 南京 , ;2. 南 京市水利规 划设计有限 公司 ,江苏 南京 , ;3. 南京雅居 乐 房地产开发 有限公司 ,江苏 南京 , )摘 要 :采 用三维 紊 流数值模 拟方法对 多机组泵 站进水池的 流态进行 分析研究 ,并 在 此 基 础 上 进 行 优 化 水 力 设 计 .数值模 拟结果表 明多机组 泵站位于 进水设施 两翼的进 水池大多 为偏流进 水 ,在 多机 组
2、 泵 站 进 水 设 计 中 采 用 蜗 形 进 水池 ,前池 采取一定 整流措施 ,可以 改善进水 池内的流 态 .关键词 :水 力学 ;进水池 ;数值 模拟 ;多机组泵 站中图分 类号 : TV13112 文献标识 码 : AHydra u l ic O p t im iza t ion for In ta ke Sum p s of M u lt i2un it Pum p in g S ta t ionGAO Dong2yan 1 , L I D a2liang2 , YAN G W en2liang3(1. Schoo l of Ene rgy and Powe r Enginee
3、ring, N an jing In stitu te of Techno logy, N an jing , Ch ina;2. N an jing H yd rau lic D e sign Co. , L td, N an jing , Ch ina;3. N an jing Ya ju le R ea l E sta te D eve lop en t Co. , L td, N an jing , Ch ina)A b stra c t: Th ree2d im en siona l sim u la tion is adop ted to inve stiga te hyd rau
4、 lic s cha rac te ristic s fo r in take sump s of m u lti2un it p ump ing sta tion. B a sed on th is, op tim um hyd rau lic de sign of in take sump s is conduc ted. The re su lts of the num e rica l sim u la tion show tha t b ia s flow is b rough t in rec tangle in take sump s on the side of m u lti
5、2un it p ump ing sta tion. A nd flow d istribu tion in in take sump s is imp roved by comm u ta ting m e thod of fo rebay of p ump sta tion s.Key word s: hyd rau lic s; in take sump; num e rica l sim u la tion; m u lti2un it p ump ing sta tion进水池是泵 站重要的进 水设施 ,是连接泵 站前池和水 泵进口之间 的过渡段 ,其作用 是进一步改 善前池来流 的
6、流态 ,使水流平 稳地转向和 加速 ,给水泵提供 良好的进水 流态 ,以尽量满足 水泵进口的 设计条件 . 如 果进 水池设计不 合理 ,则通常会导 致水泵性能 下 降 、 汽 蚀 现 象 的 产 生 1 - 2 . 目 前 泵 站 设 计 规 范 和 手 册 涉 及 多机 组泵站进水 池设计内容 相对较少 . 一般水 泵设计 参 数 相 同 ,其 进 水 池 型 式 和 尺 寸 也 就 相 同 ,并 没 有 考 虑相 临机组干扰 及机组位置 不同带来进 水条件的不同 等 因 素 . 所 以 有 必 要 对 多 机 组 泵 站 进 水 池 的 水 力 设 计进 行研究 .近 年来利用 CFD
7、技术对 泵站进水池 的流态进行 数值模拟 研 究 3 - 5 ,传 统 的 数 值 模 拟 多 采 用 分 解 方 法 将进 水池从进水 设 施 中 分 离 出 来 作 为 单 独 的 计 算 区 域 , 并 在 进 口 边 界 条 件 的 给 定 上 常 假 定 为 垂 直 入流 3 - 5 . 而一 些试验研究 表明多机 组 泵站 进 水 池 进 口 常 有 偏 流 现 象 ,流 速 分 布 不 均 匀 1 - 2 ,所 以 对 于 多 泵收 稿日 期 : 2009 - 06 - 03;修回 日期 : 2009 - 09 - 05基 金项 目 : 南 京工程 学院 科研 基金项 目 ( K
8、XJ06034 )作 者简 介 : 杲 东彦 ( 1978 - ) ,男 ,博 士研 究生 ,讲师 ,主要 从事 CFD 技 术应用 与研 究 .E2m a il: yzgdyg96 sohu. com南 京工程学 院学报 (自然科学 版 ) 2009年 9月52机组 泵站进水池 进口边界就 不能简单按 照垂直入流 的 情 况 来 处 理 . 如 果 所 取 的 计 算 区 域 为 引 渠 、 前 池 、 进水池 、 吸水 管组成的整 体进水设施 ,简称 整体数值模 拟 ,就 可 以 回 避 对 进 水 池 进 口 流 态 进 行 直 接 描 述 的 问 题 . 本文尝 试采用整体 数值模拟方
9、 法研究多机 组泵站 进 水 池 的 三 维 流 动 ,并 在 流 态 分 析 的 基 础 上 ,从 主 要尺寸 、 型式 选择和进水 条件三个方 面进行水力 优化设计 ,改善进 水池内流态 .1 多机组泵 站进水池 三维流 动的数学 模型111 三 维 流动的控 制 方程数值模拟的 计算区域为 泵站的进 水 设施 ,其三维 流 动 在 恒 定 、 不 可 压 缩 的 条 件 下 ,控 制 方 程 采 用 雷 诺 平均 N - S方程 ,并以 标准 k - 紊流模型 使方程组闭 合 , 控 制方程如下 :5ui = 0 ( 1 )5xi1 5p 5ui 5ui 5 5ui 5uj( +t )+
10、 uj 5x = fi - + 5x ( 2 )+ 5x5t 5xj 5xij i j5ui k t 5 + Pr - + ( 3 )=5xi 5xi k5u C 1 Pr - C 2 2 t 5 5 + ( 4 )= +5xi 5xi 5xi k式中 : u、 p、 为流体 的 流速 、 压力和密度 ; k、 为紊动 能 和紊动能 耗 散率 ; Pr 为 紊动能生成 率 , 其 表达式为5uj 5ui 5uiPr = t ( 5 )+ 5xj5xj 5xi式中 : t 为 涡粘性系数 , 采用 下式计算2 k t = C ( 6 )与标 准 k - 紊流模型相 关的常数 : C = 0109
11、, k = 110, = 113, C 1112 边界条 件1 ) 流场进 口 , 计 算区域的进 口取在引 渠 处 , 认 为流体充 分 发展 , 流速垂直入 流 . 进 口边界 k和 通常是 未知 的 , 在 无实测值可 依据时 , 用下式计 算= 1144, C 2 = 1192.k = ( Iu ) 2 , = ( C C ) 2 / 3 / l ( 7 ) D m式中 : I为紊 流强度 , 取值范围 为 0101, 0105 , 在 计算中取 0104; lm 为 混掺 长 度 , 取 值 为 011H, H 为 特 征 长度 , 长度取 进口的水力 直径 .2 ) 流场 出口 ,
12、 计算流场 的 出口设置 在 水泵的出水 管段内 , 出口流 动 符合充分发 展条件5ui 5 5k= 0 ( i = 1, 2, 3 ) ,5n = 0, 5n = 0 ( 8 )5n 式中 n 为出口断 面的单位法 向矢量 .3 ) 固壁 边界 ,进水设施的 底部 、 边壁等处均 为固壁 ,其边界条 件按固壁定 律处理 .4) 自由 表面 ,泵站进水 设 施的表面为 自由水面 ,若忽 略 水面风引 起 的切应力及 与大气层 的 热 交 换 ,则 自由 面的速度和 紊动能均可 按对称平面 处理 .5k5xi第 7卷 第 3期 杲东彦 , 等 :多机 组泵站 进 水池优化 水力设计 53113
13、 网 格 剖分及数 值 方法计算区域网 格剖分采用 非结构化 网 格 . 进 水设施结 构 复 杂 ,为 了 正 确 模 拟 进 水 池 复 杂 的 三 维 流 场 ,对 计算 区域进行了 分块 ,进水池和吸 水管等区域 安排了较多 的网格点 .采用控制体 积法对控制 方程进行 离 散 ,对 流项采用 二 阶 迎 风 格 式 离 散 ,扩 散 项 采 用 中 心 差 分 格 式 . 离散后 方程采用 S M PL EC方 法求解 .2 多机组泵 站进水池 内的流 态及优化 水力设计211 工 程 应用算例一南京高淳某 一拟建防洪 排 涝 泵 站 设 计 流 量 为 10 m3 / s,设 计
14、水 位 水 深 为 215 m. 原 方 案 设 计 采 用 4 台900 ZLB - 70A 型立式轴流 泵 ,单 机流量为 2 m3 / s,并两两分 别位于进水 设施的两翼 . 2台 600 ZLB - 70立 式 轴流 泵 ,单 机流量为 1 m3 / s,并位于进水 设施的中间 . 机组 由隔墩隔开 形成一机一 池并列设置 型式 ,平面型 式为 矩形 ,其主要尺寸 按文献 6 、 7 推 荐 设 计 尺 寸 设 计 ,其 中 4 台 900 ZLB - 70A 型 立 式 轴 流 泵 的 吸 水 管 悬 空高度为 805 mm , 2 台 600 ZLB - 70立式轴流泵 吸水管悬
15、 空 高 度 为 505 mm. 进 水 前 池 为 正 向 进 水 ,扩 散 角 为 27 ,进口宽 1112 m ,出口宽 19 m ,长 16 m. 进 水池设计 要 求在水流接 近水泵入口 的断面上应 保证水 流平 顺 、 无 有害漩涡 ;保证提 供水泵进 口 断面流速分布 均 匀 且 垂 直 于 该 断 面 8 ,所 以 采 用 水 泵 悬 空 高 度 以 下池 底以上断面 进行流场分 析 . 图 1为原设计 方案进水设 施 距 池 底 100 mm 处 的 断 面 流 场 图 . 从 流 场 图 信 息分 析得出 :1 ) 前池 流态较好 ,无不良 旋涡产生 ,说明前 池扩散角 、
16、 前池长 度设计合理 .2 ) 中间 2台 600 ZLB - 70轴流泵 进 水池 ,前池来流为 正向垂直进 入进水池 ,进水池 内流速分布 比较均 匀 、 对称 、 平顺 ,水流水 泵吸水口 附 近流态较好 .3 ) 4台 900 ZLB - 70A 型立 式 轴流泵两两 分别位于进 水 设 施 的 两 翼 ,进 水 池 进 口 为 偏 流 进 水 、 流 速 分 布不 均匀 ,其中最外边 进水池进水 口最大偏流 角为 21 、 最小偏 流角为 14 、 平均 偏流角为 17 ,最 大流速为0131 m / s、 最小 流速为 0117 m / s,平均流速 为 0126 m / s;由于
17、进水口 来流偏向 ,而矩形 后壁又无法 抑制偏向 来流 ,导致 在吸水管附 近水流旋转 进入吸水管 ,断面 流 速 分 布 体 现 出 不 均 匀 性 及 不 对 称 性 的 特 点 ,而 非 设 计要 求的四面均 匀进水 ,流态较差 .位于进水设 施两翼的进 水池流态 较 差 ,需 要进行优化 水力设计 . 影响进 水池的流态 主要因素有 进水条 件 、 主要 设 计尺寸 (包括 池长 、 池宽 、 后 壁 距 、 淹 没 水 深 、 悬 空 高 度 等 )和 型 式 ,进 水 池 流 态 的 恶 化 主 要 是 由 于进 水偏流以及 矩形进水池 无法抑制偏 流所导致 . 进水条 件是由前池
18、 提供的 ,所以方法 之一是可以 进行前 池整 流措施 ,从流场图 可以看出 ,前池流 态虽然不是非 常 理 想 ,但 已 经 比 较 均 匀 、 平 顺 了 ,前 池 整 流 措 施 空 间 不 是很大 . 主要尺寸 按文献 6 、 7 推荐设计 尺 寸 设 计 ,所 以 考 虑 对 进 水 池 的 型 式 进 行 改 进 ,按 照 进 水 池的 平面形状 ,进水池 可分为矩形 、 半圆 形 、 圆 形 、 多 角 形 以 及 平 面 蜗 形 等 多 种 型 式 ,其 中 平 面 蜗 形 进 水 池 由于 蜗形后壁的 隔舌靠近水 泵进口 ,可以起到 限制水 流 环 绕 水 泵 旋 转 的 作
19、 用 ,漩 涡 和 环 流 都 不 易 发 生 ,具 有良 好的水力 条 件 , 可 获 得 满 意 的 进 水 流 态 6 - 7 , 9 . 因 此 在 原 设 计 方 案 基 础 上 , 拟 把 位 于 两 翼 的 4 台900 ZLB - 70A型立式轴 流泵的矩 形 进水池改 为平面蜗形 进水池 . 图 2为优 化后进水设 施的断面流 场图 .从 图 2可以 看出 ,采用蜗形进 水池 后 , 4 台 900 ZLB - 70A 型 立 式 轴 流 泵 的 进 水 池 流 态 得 到 了 大 大 改 善 . 吸水管 附近水流比 较平顺 、 均匀 、 对称 .南 京工程学 院学报 (自然
20、科学 版 ) 2009年 9月54由此可见机 组的位置不 同 ,其 进水池来流 条件也就 不 一 样 ,进 水 池 的 型 式 选 择 应 当 有 所 不 同 . 如 果 有偏流 进水条件下 采用蜗形进 水池 ,能够进一步 改善前池来 流流态 ,为水泵提 供良好的进 水流态 .212 工 程 应用算例二南京龙潭港 区某一防洪 、 排涝 工程中的雨 水泵站 ,设计流量 为 5 m3 / s,设 计 水 位 水 深 为 314 m. 原 方 案 设计 采用 5台 700 ZQB - 70D 型潜水 轴流 泵 ,单 机 流 量 为 1 m3 / s. 进 水 前 池 为 正 向 进 水 ,扩 散 角
21、 为 30 ,长9 m. 进水池部 分 由 5台机组 池宽 2 m 的 矩 形 进 水 池 和 池 宽 为 1 m 自 流 渠 组 成 ,特 点 是 由 于 自 流 渠 设 置 ,5台 机组非对 称布置 . 计算工况 为 5台机组 同时运行时 进 水 流 态 . 吸 水 管 悬 空 高 度 为 500 mm ,流 场 取 悬 空 高度 下距池底 100 mm 断面 进行底部流 态分析 、 考虑流 场 情 况 复 杂 并 取 悬 空 高 度 以 上 距 池 底 2 000 mm 处断面 进行吸水口 上部流场分 析 . 图 3为原设计 方案进水设 施的断面流 场图 .从 图 3可以 看出 ,前池由
22、于主 流居中及机 组非对称布 置 ,所 以在前池两 侧形成了两 个较大范围 的回 流区 . 由于 前 池流态较差 ,所以 5台机组进 水池除中间 机 组 为 垂 直 正 向 进 水 外 ,其 余 4 台 进 水 池 进 口 皆 为 不 同程 度偏流进水 、 进口 流速分布不 均匀 . 在偏流进水 条件下 ,各机组吸 水管附近水 流旋转进入 吸水管 ,水流 偏向 一侧 ,断面流速分 布体现出不 均匀性及不 对称性的特 点 ,流 态较差 .由于进水池 内的流态较 差 ,所 以有必要对 进水池进行 水力优化 设 计 . 原 设计方案主 要设计尺寸 皆符合 一般 设计资料推 荐设计范围 ,而流 态恶化
23、的原 因主要 是 前 池 提 供 的 进 水 条 件 较 差 及 进 水 池 型 式 选 择 不 当 造成 ,所以 采用前池 整 流措施和 改 进进水池型 式的方法来 改善进水池 内的流态 . 前池整 流措施有设 置导流 墩 6 , 10 、 底坎 6 , 11 、 立柱 6 、 倒坡 6 、 导流板 12 等 . 对前池采 用导流墩 、 底坎 、 立 柱 三 种 不 同 方 案 进 行 前 池 整流研 究 ,数 值模拟结果 表明前池流 态都在一定 程度上 得 到 改 善 ,综 合 比 较 设 置 两 立 柱 的 措 施 比 较 好 . 基 于第 7卷 第 3期 杲东彦 , 等 :多机 组泵站
24、 进 水池优化 水力设计 55蜗 形 进水池有着 较好的水力 性能 ,所以进水池 型式采用蜗 形进水池 . 图 4 为 立柱整流加 蜗形进水池 优化 设计方 案进水设施 距离池底 100 mm、 2 000 mm 处的 断面流 场 . 从 流 场 图 中 可 以 看 出 各 机 组 进 水 池 基 本 为 垂 直正 向入流 ,池内流态 平顺 、 均匀 、 对称 ,能为水泵提 供良好的进 水流态 .3 结论1) 采用 整体数值模 拟方法 ,可以获得 多机组泵站 不同位置进 水池的进水 流态 ,其中机组 的 位 置 不 同 ,前池 提供的来流 情况也就不 一样 ,并非都是垂 直入流 ,而传统的 分
25、解数值模 拟方法对进 口垂直入流 的假定 不适 应于多机组 泵站进水池 的数值模拟 研究 .2 ) 多 机 组泵站在无 整流措施条 件下 ,中间机组进 水 池 进 水 条 件 一 般 较 好 ,而 位 于 进 水 设 施 两 翼 的 进 水池 大多为偏流 进水 . 所以多机组 泵站进水设 计中应根据 机组位置不 同选择不同 型式进水池 ,位于 进水设 施两 翼的进水池 宜采用蜗形 进水池 .3 ) 多机 组泵站进水 池的来流由 前池提供 ,如果 前 池 采 取 一 定 的 整 流 措 施 如 立 柱 、 底 坎 、 导 流 墩 等 ,则能为 进水池提供 较好的进水 条件 ,改善进水池 内的流态
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