泵站出水流道基本流態(tài)分析.doc

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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

2、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)

3、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]?！　×鞯赖耐馓匦允怯善鋬?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(lèi)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)κ-ε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)κ-ε紊流模型對(duì)三維流動(dòng)是非

4、常適用的[2]?！　?.1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16(1)　　2.動(dòng)量方程(2)　　3.紊動(dòng)能方程(3)　　4.紊動(dòng)能耗散率方程(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，ρ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16(4a)式中，vt為渦粘性系數(shù)，可采用下式計(jì)算：vt=Cμ(κ2/ε)(4b)　　κ-ε模型中的有關(guān)常數(shù)為：這里，κ為vonKarman常數(shù)[3-5

5、]。　　(1)～(4)式也可統(tǒng)一地用下列橢圓型守恒方程式表示：(5)式中，Φ表示具有守恒型的通用變量，ΓΦ為擴(kuò)散系數(shù)，RΦ為源項(xiàng)。對(duì)應(yīng)于Φ16的特定含義，ΓΦ與RΦ相應(yīng)地具有特定的形式?！　?.2邊界條件　　1.流廚口　計(jì)算流場(chǎng)的進(jìn)口設(shè)置在水泵后導(dǎo)葉出口斷面，這里無(wú)疑是充分發(fā)展的流動(dòng)。專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)表明，在設(shè)計(jì)條件下，導(dǎo)葉出口的環(huán)量很小[6]，這里認(rèn)為導(dǎo)葉出口的環(huán)量為零。因此，流廚口的邊界條件僅提進(jìn)口流速垂直于流廚口斷面?！　?.流場(chǎng)出口　計(jì)算流場(chǎng)的出口設(shè)置在距流道出口有一定距離的出水池內(nèi)，這里的邊界條件近似按靜水壓力分布給出[7]，即(6)

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)處理之。固壁處的摩擦速度可表為：u*=κuw/[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?！　ˇ屎挺趴煞謩e表為：16(8)ε=u*3/κzw(9)　　4.自由表面出水池的表面為自由水面，若忽略水面風(fēng)引起的切應(yīng)力及與大氣層的熱交換，則自由面對(duì)速度和紊動(dòng)能均

7、可視為對(duì)稱(chēng)平面處理，而紊動(dòng)能耗散率為(10)式中，zs為靠近自由表面單元的中心至自由表面的距離，κs為該單元的紊動(dòng)能量，CBE=0.07[9]。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(lèi)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。16圖1虹吸式出水流道的網(wǎng)格剖分圖2直管式出水流道的網(wǎng)格剖分圖315°

8、斜式出水流道的網(wǎng)格剖分16圖4錯(cuò)列式網(wǎng)格示意圖(X-Y平面)圖5三維網(wǎng)格的方向　　通用微分方程(5)式的離散形式可表為：ΦP=(aEΦE+aWΦW+aNΦN+aSΦ