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1、泵站出水流道基本流態(tài)分析摘要：為了改進泵站出水流道的水力設計方法，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)的流動形態(tài)；發(fā)現(xiàn)出水流道平面方向上的擴散情況較好，而立面方向在出口斷面附近則不同程度地存在著旋渦，該旋渦對流道出口斷面的流速分布有很明顯的影響；提出在流道設計時應最大限度地利用流道寬度方向的擴散，以免出口斷面的有效面積過多地被旋渦擠占。關鍵詞：泵站出水流道流態(tài) 近十幾年來，我國對水泵裝置作了大量的研究工作，特別是對低揚程軸流泵水力模型和進水流道優(yōu)化水力設計的研究已取得很多進展，有許多成果已經(jīng)在泵站工程中得
2、到成功的應用。由于種種原因，人們對進水流道內(nèi)的流態(tài)比較注意、比較了解，而對出水流道內(nèi)的流態(tài)則缺乏較為深入的了解。在過去相當長的一段時期內(nèi)，只做過一些關于出水流道水力損失方面的試驗研究。出水流道是水泵裝置的一個重要組成部分，對水泵裝置的性能有非常明顯的影響。出水流道的水力設計至今仍建立在傳統(tǒng)的一維流動理論的基礎上，這種理論與出水流道實際的三維流動情況出入很大。近些年來，人們對出水流道在水泵裝置，尤其是在低揚程水泵裝置中的作用，已經(jīng)有了愈來愈清楚的認識，提出了重視研究出水流道水力設計理論和方法的要求。1997年9月1日頒布實施的國家標準《泵站設計
3、規(guī)范》所規(guī)定：“出水流道布置對泵站的裝置效率影響很大，因此流道的型線變化應比較均勻”[1]?！ ×鞯赖耐馓匦允怯善鋬?nèi)特性決定的，對流道內(nèi)特性的認識應是更為本質(zhì)的認識。本文采用三維紊流數(shù)值模擬的方法，對虹吸式、直管式和斜式出水流道內(nèi)的基本流態(tài)進行了初步的分析計算，力圖揭示這三種形式出水流道內(nèi)的三維流動形態(tài)，為認識和解決各類有關出水流道的水力學問題奠定必要的基礎。1出水流道流動模擬的數(shù)學模型 泵站出水流道三維流動模擬采用了雷諾平均N-S方程，并以標準κ-ε紊流模型使方程組閉合。選用這種模型的原因，是因為試驗證明，標準κ-ε紊流模型對三維流動是非
4、常適用的[2]?！ ?.1控制方程在定常條件下，泵站出水流場的不可壓流動可用以下一組方程描述： 1.連續(xù)方程16(1) 2.動量方程(2) 3.紊動能方程(3) 4.紊動能耗散率方程(4) 上述各式中，xi(i=1,2,3)為坐標系坐標，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為水的運動粘性系數(shù)。Pr為紊動能生成率，其表達式為16(4a)式中，vt為渦粘性系數(shù)，可采用下式計算：vt=Cμ(κ2/ε)(4b) κ-ε模型中的有關常數(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為擴散系數(shù)，RΦ為源項。對應于Φ16的特定含義，ΓΦ與RΦ相應地具有特定的形式?！ ?.2邊界條件 1.流廚口 計算流場的進口設置在水泵后導葉出口斷面，這里無疑是充分發(fā)展的流動。專門設計的試驗表明，在設計條件下，導葉出口的環(huán)量很小[6]，這里認為導葉出口的環(huán)量為零。因此，流廚口的邊界條件僅提進口流速垂直于流廚口斷面?！ ?.流場出口 計算流場的出口設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所有固體壁面的節(jié)點應用了無滑移條件，而對緊靠固體壁面節(jié)點的紊流特性，則應用了所謂對數(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為固壁的絕對糙度，uw為該單元平行于固壁的速度分量。 κ和ε可分別表為：16(8)ε=u*3/κzw(9) 4.自由表面出水池的表面為自由水面，若忽略水面風引起的切應力及與大氣層的熱交換，則自由面對速度和紊動能均
7、可視為對稱平面處理，而紊動能耗散率為(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為該單元的紊動能量，CBE=0.07[9]。1.3離散方程出水流道流場的數(shù)值計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所示為計算中采用的錯列式網(wǎng)格系統(tǒng)(圖中僅給出x-y平面的網(wǎng)格示意圖，其它兩個平面的網(wǎng)格與此類似)，非矢量變量的網(wǎng)格點均位于單元體的中心，而速度變量的網(wǎng)格點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
