CN105608287B

CN105608287B - 高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计方法

Info

Publication number: CN105608287B
Application number: CN201610018693.6A
Authority: CN
Inventors: 陆林广; 陆伟刚; 徐磊; 练远洋; 施克鑫; 洪飞
Original assignee: Yangzhou University
Current assignee: Yangzhou University
Priority date: 2016-01-12
Filing date: 2016-01-12
Publication date: 2017-05-10
Anticipated expiration: 2036-01-12
Also published as: CN105608287A

Abstract

本发明公开了大流量泵站出水流道三维形体过流面的设计方法，属于水利工程泵站技术领域。其特征是：对大流量泵站出水流道进行三维流场数值仿真，为掌控出水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；采用以出水流道三维形体过流面水力性能指标达到最优为要求的设计方法；将影响出水流道三维形体过流面的流态及其水力性能指标的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸，并以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建出水流道三维形体过流面；根据对各种型式出水流道优化计算的结果并兼顾控制泵站土建尺寸的要求，得到I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围。应用本发明设计的出水流道具有水流转向有序、扩散均匀、流道水头损失小等优点。

Description

高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计方法

技术领域

本发明属于水利工程泵站技术领域，具体涉及大流量泵站出水流道三维形体过流面的设计方法，特别适用于高性能大流量泵站的低驼峰式出水流道、虹吸式出水流道、斜式出水流道和前置竖井式出水流道。

背景技术

大流量泵站广泛应用于我国平原地区的水资源配置、农业排灌、水环境治理和城市防洪排涝等重要领域。出水流道位于水泵导叶体出口与泵站出水池进口之间，是大流量泵站重要的出水通道。出水流道三维形体过流面的水力设计对出水流态的影响很大，出水流态不良不仅会显著降低水泵的能量性能，还有可能在出水流道内产生会威胁到水泵机组稳定运行的旋涡及压力脉动。出水流道传统的设计方法是基于流道断面平均流速的几何作图法，不能掌控所设计出水流道内的三维流场，导致其过流面水力性能指标差，难以保证大流量泵站安全、稳定和高效运行。

发明内容

本发明的目的就是针对上述方法的缺陷，提供了一种高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计方法。本发明的特征是，对大流量泵站出水流道进行三维流场数值仿真，为掌控出水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；采用以出水流道三维形体过流面水力性能指标达到最优为要求的设计方法；将影响出水流道三维形体过流面的流态及其水力性能指标的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸，并以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建出水流道三维形体过流面；采用单因素分步优化的方法对各种型式出水流道的I级尺寸和II级尺寸进行优化调整；根据对各种型式出水流道优化计算的结果并兼顾控制泵站土建尺寸的要求，得到I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围。应用本发明设计的出水流道具有水流转向有序、扩散均匀、流道水头损失小等优点，可保障水泵机组的安全、稳定和高效运行。

为实现本发明的目的，采用如下技术方案：

1.本发明适用于多种型式的出水流道，特别适用于高性能大流量泵站的低驼峰式出水流道、虹吸式出水流道、斜式出水流道和前置竖井式出水流道三维形体过流面的设计；

2.应用计算流体动力学商用软件对大流量泵站出水流道进行三维流场数值仿真，为掌控出水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；

3.根据第2步三维流场数值仿真的结果计算所述出水流道三维形体过流面设计工况的水头损失：

Δh＝E_{出水流道进口断面}－E_{出水流道出口断面}

式中：Δh为出水流道水头损失，m；

E_{出水流道进口断面}为出水流道进口断面的能量水头，m；

E_{出水流道出口断面}为出水流道出口断面的能量水头，m；

出水流道三维形体过流面设计工况水头损失的指标通过系统的数值计算和模型试验研究得到；

4.在研究出水流道三维形体的主要几何尺寸影响其过流面水力性能基本规律的基础上，将影响出水流道三维形体过流面的流态及其水力性能的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸；较宽松的I、II级尺寸有利于所述过流面获得较好的水力性能，但同时又会增加泵站的土建投资，故需要兼顾提高出水流道水力性能和控制泵站土建投资两方面的要求，提出合理的尺寸；I级尺寸对泵站土建工程量和出水流道水力性能影响都很大，各种型式出水流道的I级尺寸均为出水流道进口断面中心点至出口断面的水平距离(以下简称出水流道长度)、出水流道出口断面宽度(以下简称出水流道宽度)和水泵叶轮中心线至出水流道最高点的垂直距离(以下简称出水流道高度)；II级尺寸对泵站土建工程量影响较小、对出水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的出水流道具有不同的II级尺寸，差别很大；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建出水流道三维形体过流面；

5.对每种型式出水流道进行三维流场数值仿真和优化计算，内容包括：(1)对I级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；(2)在第(1)步骤完成后，对II级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；对各种型式出水流道分别进行三维流场数值仿真和所述几何变量优化计算，以了解和掌握流道各I级尺寸、II级尺寸影响出水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律；根据对各种型式出水流道优化计算的结果并兼顾控制泵站土建尺寸的要求，得到以水泵叶轮直径D₀表示的I级尺寸和II级尺寸(单位为m，下同)的最优取值范围；

6.根据得到的I级尺寸和II级尺寸的最优取值绘制出水流道单线图。

本发明的目的是这样实现的：

1.应用计算流体动力学商用软件对大流量泵站出水流道进行三维流场数值仿真，为掌控出水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；具体要求如下：

(1)三维流场仿真的区域包括直管段、出水流道段和出水池段，出水池段的长度和底坡取自所述大流量泵站设计值，直管段的直径与出水流道进口断面的直径相等，直管段的长度为直管段直径的两倍；直管段的出口断面与出水流道段的进口断面连接，出水流道段的出口断面与出水池段的进口断面衔接；应用三维造型软件对所述三维流场的仿真区域建模；

(2)直管段采用COOPER混合网格，出水流道段采用T-GRID网格，出水池段采用COOPER混合网格；所述仿真区域的网格数不少于4.0×10⁵；

(3)流场仿真的边界条件：出水流道流场计算的进口边界设置在直管段进口断面，采用速度进口边界条件，其进口平均法向流速为

式中：Q为泵站单泵设计流量，m³/s；D为出水流道进口断面直径，m；

考虑到水泵导叶体出口水流具有一定的环量，根据模型试验研究的结果，在直管段的进口断面设置适量的水流旋转角速度；

出水流道流场计算的出口边界设置在出水池段出口断面，采用自由出流边界条件；出水流道段边壁、出水池段底壁和直管段边壁采用固壁边界条件，固壁边界的粗糙度为0.001m；出水池段两侧面为无相对运动的水体，采用粗糙度为零的边界条件；出水池段表面采用对称边界条件；

2.根据第1步三维流场数值仿真的结果计算所述出水流道三维形体过流面的水头损失：

Δh＝E_{出水流道进口断面}－E_{出水流道出口断面}

式中：Δh为出水流道水头损失，m；

E_{出水流道进口断面}为出水流道进口断面的能量水头，m；

E_{出水流道出口断面}为出水流道出口断面的能量水头，m；

经过系统数值计算和模型试验研究，得到高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计工况水头损失指标列于表1；

表1高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计工况的水头损失指标

出水流道型式	低驼峰式出水流道	虹吸式出水流道	斜式出水流道	前置竖井式出水流道
					水头损失(m)	0.32～0.42	0.26～0.36	0.35～0.45	0.12～0.18

3.在研究出水流道三维形体的主要几何尺寸影响其过流面水力性能基本规律的基础上，将影响出水流道三维形体过流面的流态及其水力性能的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸；I级尺寸对泵站土建工程量和出水流道水力性能影响都很大，各种型式出水流道的I级尺寸均为出水流道的长度、宽度和高度；II级尺寸对泵站土建工程量影响较小、对出水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的出水流道具有不同的II级尺寸；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建出水流道三维形体过流面；

4.对每种型式出水流道进行三维流场数值仿真和优化计算，内容包括：(1)对I级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；(2)在第(1)步骤完成后，对II级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；对各种型式出水流道分别进行三维流场数值仿真和所述几何变量优化计算，以了解和掌握流道各I级尺寸、II级尺寸影响出水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律；根据对各种型式出水流道优化计算的结果并兼顾控制泵站土建尺寸的要求，得到如下以水泵叶轮直径D₀表示的I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围：

(1)低驼峰式出水流道主要几何变量的最优取值范围

I级尺寸：出水流道长度XL＝(6.0～8.0)D₀，出水流道宽度Bc＝(2.35～2.45)D₀，出水流道高度Hw＝(2.5～2.7)D₀；II级尺寸：出水流道驼峰断面高度H2＝(1.1～1.2)D₀，出水流道下降段倾角β＝(14～19)°，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；

(2)虹吸式出水流道主要几何变量的最优取值范围

I级尺寸：出水流道长度XL＝(6.5～7.5)D₀，出水流道宽度Bc＝(2.4～2.5)D₀，出水流道高度Hw＝▽_max-▽₀+0.2+(0.73～0.77)D₀，式中，▽_max为出水池最高水位，▽₀为水泵叶轮中心高程，单位为m；II级尺寸：出水流道上升段倾角α＝(35～45)°，出水流道下降段倾角β＝(30～40)°，出水流道驼峰断面高度H2＝(0.73～0.77)D₀，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；

(3)斜式出水流道主要几何变量的最优取值范围

I级尺寸：出水流道长度XL＝(6.0～8.0)D₀，出水流道宽度Bc＝(2.35～2.45)D₀，出水流道高度Hw＝▽_min-▽₀-0.5，式中，▽_min为出水池最低水位，▽₀为水泵叶轮中心高程，单位为m；II级尺寸：泵轴倾角α＝(15～30)°，出水流道下边线倾角φ＝(0～10)°，出水流道转向段水平长度Xz＝(2.2～2.6)D₀，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；

(4)前置竖井式出水流道主要几何变量的最优取值范围

I级尺寸：出水流道长度XL＝(5.5～6.5)D₀，出水流道宽度Bc＝(2.5～2.6)D₀，出水流道高度Hw＝▽_min-▽₀-0.5，式中，▽_min为出水池最低水位，▽₀为水泵叶轮中心高程，单位为m；II级尺寸：出水流道下边线倾角φ＝(0～10)°，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；

5.根据得到的I级尺寸和II级尺寸的最优取值绘制出水流道单线图。

与现有方法相比，本发明具有以下有益效果：

第一，本发明以出水流道三维流场的数值仿真为基础、以实现高标准水力性能指标为要求进行其三维形体过流面的设计，对于保证大流量泵站的安全、稳定和高效运行具有十分重要的意义。

第二，本发明可有效实现对大流量泵站出水流道三维形体过流面水力性能的掌控，在满足泵站水工设计要求的前提下，实现出水流道三维形体过流面水力性能的优化。

第三，本发明可较大幅度地提高我国大流量泵站水泵机组运行的安全性、可靠性和经济性，其泵装置效率可达到80％以上。

附图说明

图1是大流量泵站低驼峰式出水流道三维形体过流面示意图；

图2是大流量泵站虹吸式出水流道三维形体过流面示意图；

图3是大流量泵站斜式出水流道三维形体过流面示意图；

图4是大流量泵站前置竖井式出水流道三维形体过流面示意图；

图5是实施例虹吸式出水流道三维流场数值仿真区域示意图；

图6是实施例虹吸式出水流道三维流场数值仿真区域网格剖分示意图

图7a是实施例虹吸式出水流道立面示意图；

图7b是实施例虹吸式出水流道平面示意图；

图8a是实施例虹吸式出水流道立面单线图；

图8b是实施例虹吸式出水流道平面单线图；

图中：1直管段，2虹吸式出水流道段，3出水池段，4直管段进口断面，5出水池段出口断面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

本发明特别适用于高性能大流量泵站的低驼峰式出水流道、虹吸式出水流道、斜式出水流道和前置竖井式出水流道三维形体过流面的设计；低驼峰式出水流道三维形体过流面示于图1，虹吸式出水流道三维形体过流面示于图2，斜式出水流道三维形体过流面示于图3，前置竖井式出水流道三维形体过流面示于图4。

实施例

某按高性能要求设计的大流量泵站，其设计流量为150m³/s，单泵设计流量为33.5m³/s，水泵叶轮直径为3.15m，采用立式泵装置，选用虹吸式出水流道；该泵站出水流道段的进口断面直径为3.339m、出口断面底高程为28.36m，水泵叶轮中心高程为27.13m，出水池最高水位为35.37m，出水池段的长度为30m、底边为平底。

应用本发明对上述大流量泵站虹吸式出水流道三维形体过流面进行设计的步骤如下：

1.如图5所示，大流量泵站虹吸式出水流道流场数值仿真区域包括直管段1、虹吸式出水流道段2和出水池段3，直管段1的出口断面与虹吸式出水流道段2的进口断面连接，虹吸式出水流道段2的出口断面与出水池段3的进口断面衔接；直管段1的直径为3.339m、长度为6.132m；出水池段3的长度为30m、底边为平底；应用三维造型软件Gambit对直管段1、虹吸式出水流道段2和出水池段3建模；应用计算流体动力学商用软件Fluent对所述三维流场进行数值仿真；

所述三维流场数值仿真的进口边界设置在直管段进口断面4，采用速度进口边界条件，该断面的水流平均法向流速为水流旋转角速度为290r/min；出口边界设置在出水池段出口断面5，采用自由出流边界条件；虹吸式出水流道段2的边壁、直管段1的边壁和出水池段3的底壁均采用固壁边界条件，固壁边界的粗糙度为0.001m；出水池段3的两侧面为无相对运动的水体，采用粗糙度为零的边界条件；出水池段3的表面采用对称边界条件；

如图6所示，直管段1采用COOPER混合网格，虹吸式出水流道段2采用T-GRID网格，出水池段3采用COOPER混合网格；所述三维流场数值仿真区域的网格数为4.23×10⁵；

2.根据表1，高性能大流量泵站虹吸式出水流道三维形体过流面水力性能的流道水头损失为(0.26～0.36)m；

3.如图7a、图7b所示，虹吸式出水流道段2的I级尺寸为出水流道长度XL、出水流道宽度Bc和出水流道高度Hw；以XL和Bc为几何变量，采用单因素分步优化的方法逐一进行虹吸式出水流道段2的三维流场数值仿真和优化计算，所述各变量对虹吸式出水流道段2过流面水头损失的影响分别列于表2和表3；D₀为所述大流量泵站的水泵叶轮直径，单位为m，下同；

表2虹吸式出水流道段2的出水流道长度XL对其水头损失的影响

XL	6.22D₀	6.73D₀	7.24D₀	7.75D₀	8.22D₀
						水头损失(m)	0.431	0.355	0.302	0.318	0.358

表3虹吸式出水流道段2的出水流道宽度Bc对其水头损失的影响

Bc	2.13D₀	2.44D₀	2.76D₀
				水头损失(m)	0.321	0.297	0.297

4.如图7a、图7b所示，虹吸式出水流道段2的II级尺寸为出水流道上升段倾角α、出水流道下降段倾角β、出水流道驼峰断面高度H2和出水流道平面扩散角γ；在第3步虹吸式出水流道段2的I级尺寸优化计算完成后，以α、β和H2为几何变量，采用单因素分步优化的方法逐一进行虹吸式出水流道段2的三维流场数值仿真和优化计算，所述各变量对虹吸式出水流道段2过流面水头损失的影响分别列于表4、表5和表6；

表4虹吸式出水流道段2的上升段倾角α对其水头损失的影响

α	20°	30°	40°	50°	60°
						水头损失(m)	0.375	0.328	0.302	0.349	0.431

表5虹吸式出水流道段2的下降段倾角β对其水头损失的影响

β	21°	27°	35°	44°	55°
						水头损失(m)	0.272	0.274	0.297	0.340	0.416

表6虹吸式出水流道段2的驼峰断面高度H2对其水头损失的影响

H2	0.70D₀	0.75D₀	0.80D₀	0.89D₀	1.00D₀
						水头损失(m)	0.278	0.274	0.276	0.302	0.314

5.根据对所述虹吸式出水流道段2优化计算的结果并兼顾控制泵站土建尺寸的要求，得到其I级尺寸和II级尺寸的最优取值范围，其中，出水流道长度XL＝(6.5～7.5)D₀，出水流道宽度Bc＝(2.4～2.5)D₀，出水流道高度Hw＝▽_max-▽₀+0.2+(0.73～0.77)D₀，式中，▽_max为出水池最高水位，▽₀为水泵叶轮中心高程，单位为m；出水流道上升段倾角α＝(35～45)°，出水流道下降段倾角β＝(30～40)°，出水流道驼峰断面高度H2＝(0.73～0.77)D₀，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；

6.在本实施例中，取出水流道长度XL＝7D₀＝7×3.15＝22.05m，出水流道宽度Bc＝2.45D₀＝2.45×3.15＝7.718m，出水流道高度Hw＝▽_max-▽₀+0.2+(0.73～0.77)D₀＝35.37-27.13+0.2+0.75×3.15＝10.803m，出水流道上升段倾角α＝40°，出水流道下降段倾角β＝35°，出水流道驼峰断面高度H2＝0.75D₀＝2.363m，出水流道平面扩散角γ＝13°；绘制所述大流量泵站虹吸式出水流道单线图，如图8a、图8b所示；

7.对第6步确定的虹吸式出水流道段2三维流场进行数值仿真，根据结果计算得到的流道水头损失为0.278m；满足高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面的设计要求。

Claims

1.高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计方法，其特征是，

(1)应用计算流体动力学商用软件对大流量泵站出水流道进行三维流场数值仿真，为掌控出水流道三维形体过流面的流态及水力性能提供必要条件；

(2)根据第(1)步三维流场数值仿真的结果，计算所述出水流道三维形体过流面设计工况的水头损失：

Δh＝E_{出水流道进口断面}－E_{出水流道出口断面}

式中：Δh为出水流道水头损失，m；

E_{出水流道进口断面}为出水流道进口断面的能量水头，m；

E_{出水流道出口断面}为出水流道出口断面的能量水头，m；

(3)在研究出水流道三维形体的主要几何尺寸影响其过流面水力性能基本规律的基础上，将影响出水流道三维形体过流面的流态及其水力性能的主要几何尺寸分为I级尺寸和II级尺寸；较宽松的I、II级尺寸有利于所述过流面获得较好的水力性能，但同时又会增加泵站的土建投资，故需要兼顾提高出水流道水力性能和控制泵站土建投资两方面的要求合理取值；I级尺寸对泵站土建工程量和出水流道水力性能影响都很大，各种型式出水流道的I级尺寸均为出水流道进口断面中心点至出口断面的水平距离(简称出水流道长度)、出水流道出口断面宽度(简称出水流道宽度)和水泵叶轮中心线至出水流道最高点的垂直距离(简称出水流道高度)；II级尺寸对泵站土建工程量影响较小、对出水流道水力性能影响较大，II级尺寸与流道型式有关，不同型式的出水流道具有不同的II级尺寸，差别很大；以I级尺寸和II级尺寸为几何变量，构建出水流道三维形体过流面；

(4)对每种型式出水流道进行三维流场数值仿真和优化计算，内容包括：①对I级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；②在第①步骤完成后，对II级尺寸逐一采用单因素分步优化的方法进行流场数值仿真和优化计算；对各种型式出水流道分别进行三维流场数值仿真和所述几何变量优化计算，以了解和掌握流道各I级尺寸、II级尺寸影响出水流道三维形体过流面水力性能的变化趋势和基本规律；根据对各种型式出水流道优化计算的结果并兼顾控制泵站土建尺寸的要求，得到以水泵叶轮直径D₀表示的I级尺寸和II级尺寸(单位为m)的最优取值范围；

低驼峰式出水流道主要几何变量的最优取值范围

I级尺寸：出水流道长度XL＝(6.0～8.0)D₀，出水流道宽度Bc＝(2.35～2.45)D₀，出水流道高度Hw＝(2.5～2.7)D₀；

II级尺寸：出水流道驼峰断面高度H2＝(1.1～1.2)D₀，出水流道下降段倾角β＝(14～19)°，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；

虹吸式出水流道主要几何变量的最优取值范围

I级尺寸：出水流道长度XL＝(6.5～7.5)D₀，出水流道宽度Bc＝(2.4～2.5)D₀，出水流道高度Hw＝▽_max-▽₀+0.2+(0.73～0.77)D₀，式中，▽_max为出水池最高水位，▽₀为水泵叶轮中心高程，单位为m；

II级尺寸：出水流道上升段倾角α＝(35～45)°，出水流道下降段倾角β＝(30～40)°，出水流道驼峰断面高度H2＝(0.73～0.77)D₀，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；

斜式出水流道主要几何变量的最优取值范围

I级尺寸：出水流道长度XL＝(6.0～8.0)D₀，出水流道宽度Bc＝(2.35～2.45)D₀，出水流道高度Hw＝▽_min-▽₀-0.5，式中，▽_min为出水池最低水位，▽₀为水泵叶轮中心高程，单位为m；

II级尺寸：泵轴倾角α＝(15～30)°，出水流道下边线倾角φ＝(0～10)°，出水流道转向段水平长度Xz＝(2.2～2.6)D₀，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°；

前置竖井式出水流道主要几何变量的最优取值范围

I级尺寸：出水流道长度XL＝(5.5～6.5)D₀，出水流道宽度Bc＝(2.5～2.6)D₀，出水流道高度Hw＝▽_min-▽₀-0.5，式中，▽_min为出水池最低水位，▽₀为水泵叶轮中心高程，单位为m；

II级尺寸：出水流道下边线倾角φ＝(0～10)°，出水流道平面扩散角γ＝(11～15)°，

(5)根据得到的I级尺寸和II级尺寸的最优取值绘制出水流道单线图。

2.根据权利要求1所述的高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计方法，其特征是，大流量泵站出水流道进行三维流场数值仿真的具体要求如下：

出水流道流场计算的出口边界设置在出水池段出口断面，采用自由出流边界条件；出水流道段边壁、出水池段底壁和直管段边壁采用固壁边界条件，固壁边界的粗糙度为0.001m；出水池段两侧面为无相对运动的水体，采用粗糙度为零的边界条件；出水池段表面采用对称边界条件。

3.根据权利要求1所述的高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计方法，其特征是，高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计工况水头损失指标列于表1；

表1 高性能大流量泵站出水流道三维形体过流面设计工况的水头损失指标