CN109614757A - 一种通过cfd预测湿室型泵站临界淹没深度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，包括先对数值模拟的方法进行验证，通过对湿室型泵站缩尺后的模型进行数值计算和物理试验并对其特殊断面旋涡特性进行分析与对比，得到合理的CFD数值方案包括网格划分、湍流模型和数值方法；再通过上述数值方案对原型湿室型泵站进行CFD计算，同时引入云计算以提高数值计算的精度和速度，计算域的水体高度以1mm逐渐降低，直至刚发生吸气旋涡时停止计算并输出相应的湿室型水泵吸水管的临界淹没深度。本发明能够准确地预测出湿室型泵站的临界淹没深度有效避免了实际工程运行中水泵安装高程偏高的问题。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法。
背景技术
在湿室型泵站运行中，水泵能否安全高效运行与进水池水流的流态息息相关，当进水池中流态不佳时势必诱发水泵机组出现剧烈振动、严重气蚀等不良现象，从而导致水泵的运行效率大打折扣。进水池流态不良问题往往是伴随着旋涡等水力现象的出现，而旋涡正是造成水泵机组不能正常运行的主要原因，在湿室型泵站设计中通常是利用满足水泵临界淹没深度的要求来避免进水池中出现旋涡等不良流态的出现。但是在实际工程的运行中临界淹没深度如何准确计算还未有统一观点，为了避免安全事故的发生，目前确定的水泵安装高程均是偏安全的，有些安全裕量甚至高达2m以上，这就造成水泵安装高程过低，导致工程开挖量加大从而增加了工程的无效投资。因此，如何准确预测水泵临界淹没深度成为一个关键问题。
目前，由于进水池内旋涡形成机理的复杂性，难以直接对旋涡的强度及其水泵进水的影响进行定量分析。有些学者对水泵临界淹没深度的确定主要依赖经验公式，但是由于研究方法的局限性导致这些经验公式均存在一定的不足，只反映了旋涡形成的部分影响因素。有些学者则采用水力模型试验方法来对不同条件下进水池内的流场及其对水泵运行的影响进行评价和预测，测得模型水泵临界淹没深度，再通过原型和模型临界淹没深度相似律得到原型水泵临界淹没深度，进水池原型和模型之间流态的相似问题又是一个难点，在进水池旋涡的试验研究中除了要求几何相似以外，还要求佛罗德数Fr、雷诺数Re和韦伯数We也能满足各自相似准则，这在水力模型试验中是无法同时满足的，因此只能首先考虑重力相似即佛罗德数Fr相似准则，所以可能会造成水力模型试验中对其它作用力在原型中的影响预测不足。
近年来，计算流体动力学(CFD)和云计算技术得到发展，由于其具有建模便捷、可直接对原型进行模拟、试验重复性较好等优点，数值模拟方法成为另一种有效地研究手段。但是现有技术中还没有利用数值试验手段对进水池内旋涡进行模拟并进行泵站临界淹没深度的预测方法。中国专利CN106844913B中公开了一种基于三维CFD的滞留气团热力学特性模拟方法，该专利中利用三维CFD进行了滞留气团的热力学分析，但是其方法不能用于预测湿室型泵站临界淹没深度。因此，如何利用云计算与CFD方法来准确预测湿室型泵站临界淹没深度是一个非常值得研究的课题，它将有效避免实际工程运行中水泵安装高程偏高的问题。
发明内容
本发明目的是针对上述现状，旨在解决现有技术问题，设计一种通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，能够准确地预测出湿室型泵站的临界淹没深度，有效避免了实际工程运行中水泵安装高程偏高的问题。
本发明目的的实现方式为：一种通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，其特征在于，采用三维CFD方法来预测湿室型泵站临界淹没深度，具体步骤如下：
步骤1：对缩尺湿室型泵站进行物理模型试验，建立物理试验模型，选取多个关键面来观察旋涡的特性，采用粒子图象测速法采集并输出旋涡流线及涡量图；
步骤2：对缩尺湿室型泵站进行数值模拟计算，建立缩尺湿室型泵站三维模型，并进行划分网格，输出计算文件，导入Fluent进行数值计算，计算收敛后导出结果，通过CFD-Post进行后处理，对多个关键面的旋涡流线及涡量分布进行采集；
步骤3：从步骤2中若干数值计算结果中找出与步骤1中PIV测量结果中旋涡流线及涡量分布相同或相似的计算工况，输出对应的网格尺寸、湍流模型、数值算法；
步骤4：对湿室型泵站原型进行CFD计算，采用CFD-Post对湿室型泵站原型CFD计算结果进行后处理，根据临界淹没深度的定义计算分析并输出临界淹没深度。
本发明的预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，包括先对数值模拟的方法进行验证，通过对湿室型泵站缩尺后的模型进行数值计算和物理试验，并对其特殊断面旋涡特性进行分析与对比，得到合理的CFD数值方案包括网格划分、湍流模型和数值方法；再通过上述数值方案对原型湿室型泵站进行CFD计算，并输出相应的湿室型水泵吸水管的临界淹没深度。本发明通过缩尺物理模型试验和相应的模型CFD数值计算进行对比，用模型试验来约束数值计算方法，再通过得出的数值计算对原型进行计算以预测原型数据，如此使得原型数值计算的结果更科学有效；使原型CFD数值计算模型在满足重力相似准则的同时兼顾雷诺数Re和韦伯数We的相似准则，提高了CFD数值模拟模型的准确性，能够准确地预测出湿室型泵站的临界淹没深度有效避免了实际工程运行中水泵安装高程偏高的问题。
优选地，所述步骤1中，模型采用正态模型，综合考虑模型水流在阻力平方区要求，拟选取模型线性比尺λl，物理试验模型采用重力相似准则设计，角度比λθ＝1，流速比λv＝λl 0.5，流量比λQ＝λl 2.5，糙率比λn＝λl 1/6。由于重力是主要作用力，所以遵循重力相似准则设计。采用本方案优选的参数和模型，可以更好地模拟实际工程情况。
由于现有常规的CFD计算不用考虑相似准则的问题，本发明通过物理模型试验验证CFD模型计算的结果，CFD模型计算的结果不能与物理模型试验偏差太大，从而使CFD模型数值计算结果尽可能准确，得到网格划分、湍流模型和数值计算方法，然后再通过CFD技术对原型湿室型泵站进行数值计算，得出临界淹没深度。
优选地，所述步骤1中，物理模型试验的水位尽量选取较低水位，但要淹没出水管的进口并尽量满足在试验中进水管附近出现旋涡。
优选地，所述步骤1中，总共选取5个关键面作为观察面来观察旋涡特性，自由表面旋涡的观察面在水面下方0.16d处，附近面旋涡的观察面到地面距离为0.25d，后壁面上附壁旋涡的观察面距后壁为0.23d，两侧边壁上旋涡的观察面分别为距各边壁0.15d和0.25d处，其中d为进水管内径。本方案设定的5个观察面与泵站四壁、地面或水面的距离各不相同，更方便观察，也保证了模型的数据采集的全面完整性，且本方案中优选的这5个面是通过物理模型试验与PIV采集数据发现这5个面存在旋涡，大量数据表明湿室型泵站进水流道这5个面极可能存在旋涡流态，方便物理模型试验与模型数值计算进行比较，确保与之比对的数据模拟计算模型的准确性。
优选地，所述步骤2中，在网格划分中采用不同尺度网格，从而得到若干不同的网格方案，针对各个网格方案在Fluent计算中选取不同的湍流模型及不同的数值算法。
优选地，所述步骤4中，在湿室型泵站原型CFD计算中引入云计算技术。本方案引入云计算可以提高数值计算的精度和速度。在原型的CFD数值计算中引入云计算技术，这是由于原型计算的网格量巨大，普通工作站难以完成计算，云计算中还存在大并行技术，显著提高计算精度与节省计算时间。
优选地，所述步骤4中，湿室型泵站原型CFD计算的网格方案和Fluent设置方式与步骤3中相同。
优选地，所述步骤4中，湿室型泵站原型的进水池流体域未发生自由表面涡的水体初始高度为H，然后以0.001m等差递减，建立若干计算方案。
优选地，所述步骤4中，根据临界淹没深度的定义，当刚发生II型旋涡时停止计算，此时CFD数值计算循环次数为n次，此时输出水泵进水管的淹没深度即为临界淹没深度h，其计算公式为h＝H-b-0.001n，其中b为水泵的悬空高度。
优选方案中计算域的水体高度以1mm逐渐降低，直至刚发生吸气旋涡时II型旋涡停止计算，使临界淹没深度的计算精确度达到1mm，精确度更高，且可防止实际工程中产生II型旋涡。采用本发明的预测方法可大大节省了工程造价。
相对现有技术，本发明设计了一种通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，通过对湿室型泵站缩尺后的模型进行数值计算和物理试验并对其特殊断面旋涡特性进行分析与对比，得到合理的CFD数值方案，可提高CFD数值计算方案的准确性；再通过上述数值方案对原型湿室型泵站进行CFD计算，同时引入云计算以提高数值计算的精度和速度；计算域的水体高度以1mm逐渐降低，直至刚发生吸气旋涡时停止计算并输出相应的湿室型水泵吸水管的临界淹没深度。总之，本发明通过物理试验模型和CFD数据计算模型以及云计算相互配合，能够更加快速、准确地预测出湿室型泵站的临界淹没深度有效避免了实际工程运行中水泵安装高程偏高的问题。
附图说明
图1为预测湿室型泵站临界淹没深度的方法的流程图；
图2为湿室型泵站模型简图；
图3为湿室型泵站网格剖分图；
图4为湿室型泵站旋涡观察面示意图；
图5为PIV和数值模拟中自由表面涡的观察面流线及涡量图；
图6为PIV和数值模拟中后壁处附壁旋涡流线及涡量图；
图7为PIV和数值模拟中底面处附壁旋涡流线及涡量图；
图8为PIV和数值模拟中边壁1处附壁旋涡流线及涡量图；
图9为PIV和数值模拟中边壁2处附壁旋涡流线及涡量图；
图10为湿室型泵站进水池旋涡示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体附图仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他技术方案，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
实施例1
本实施例的通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法的流程图如图1所示，具体步骤如下：
步骤1：对缩尺湿室型泵站进行物理模型试验，建立物理试验模型，选取多个关键面来观察旋涡的特性，采用粒子图象测速法(PIV)采集并输出旋涡流线及涡量图；
物理试验模型采用正态模型，综合考虑模型水流在阻力平方区要求，拟选取模型线性比尺λl，物理试验模型采用重力相似准则设计，角度比λθ＝1，流速比λv＝λl 0.5，流量比λQ＝λl 2.5，糙率比λn＝λl 1/6。
为了验证并分析本发明提供的一种基于云计算与CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法的预测效果，建立如图2所示的湿室型泵站模型简图，其中d＝88mm，本实施例泵站模型中水流的流速为0.003m/s。水泵悬空高度为0.8d，水泵距离前壁、后壁的距离分别为0.9d、12.8d；距离左侧壁和右侧壁的距离分别为13.5d和21.5d。
物理模型试验的水位尽量选取较低水位，但要淹没出水管的进口，尽量满足在试验中进水管附近出现旋涡，本实施例拟选取水面高度为2.4d。
湿室型泵站旋涡观察面示意图如图4所示，其中自由表面旋涡的观察面在水面下方0.16d处，附近面旋涡的观察面到地面距离为0.25d，后壁面上附壁旋涡的观察面距后壁为0.23d，两侧边壁上旋涡的观察面分别为距各边壁0.15d和0.25d处，其中d为进水管内径，单位m。
步骤2：对缩尺湿室型泵站进行数值模拟计算，建立缩尺后湿室型泵站三维模型，并进行划分网格，输出计算文件，导入Fluent进行数值计算，导出计算结果，通过CFD-Post进行后处理，采集数据。
网格划分中采用不同尺度网格，从而得到若干不同的网格方案，湿室型泵站网格剖分图如图3所示，针对各个网格网格方案在Fluent计算中选取不同的湍流模型及不同的数值算法。
步骤3：从步骤2中若干数值计算结果找出与步骤1中PIV测量结果相同或相似的计算工况，图5～图9为湿室型泵站PIV和数值模拟中各观察面流线及涡量图，输出对应的网格尺寸、湍流模型、数值算法，拟采用单位体积1×1×1的六面体结构化网格，湍流模型为Realizablek-ε，控制方程的离散方式为有限体积法FVM；扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用Quick格式，压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，计算方式采用并行计算。
具体数值计算步骤：
1、通过三维建模软件SolidWorks对缩尺后的湿室型泵站进水流道进行建模(如图2所示)，然后输出后缀名.IGS文件；
2、将后缀名.IGS文件导入网格划分软件Ansys ICEM，对图2所示的湿室型泵站进水流道进行网格划分(如图3所示)，网格尺寸为单位体积1×1×1，网格类型为六面体结构化网格，然后生成Ansys Fluent数值计算文件后缀名.mesh文件；
3、将计算文件导入Ansys Flunet中进行计算，具体设置方法如下：
General中Scale的x，y，z同比缩小0.001倍，将建模与数值计算的几何尺寸一致；
Models中选择Realizable k-ε；
Materials中选择计算介质为Water；
Boundary Conditions中选择inlet为速度进口，wall采用边壁条件，outlet为自由出口，sym采用刚盖假定；
Solution Methods压力和速度的耦合采用SIMPLEC算法，控制方程的离散方式为有限体积法FVM；扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用Quick格式。
Monitors中设置计算收敛条件，本计算为提高计算精度，将continuity、x、y和z均设置为1×10-5停止计算；
Solution Initialization中设置初始化方法为Hybird Intitialization；
Run Calculation中设置迭代步长10000；
计算停止后将Fluent计算结果保存，导入CFD-Post后处理数据，具体步骤如下：
在上文中提到的5个关键面分别设置Plane，然后在5个关键观测旋涡流线及涡量图，如图5～图9所示。
步骤4：对湿室型泵站原型进行CFD计算：对原型的计算方法，湿室型泵站原型CFD计算的网格方案和Fluent设置方式与步骤3中相同。仅仅是将计算模型换成原型泵站进水流道，其他计算方法不变，步骤3就是一个选择与确定的过程，主要在于网格尺寸和云计算技术，网格尺寸不随计算对象的放大而放大，避免了由于尺寸放大后存在误差。在湿室型泵站原型CFD计算中引入云技术，云计算技术提高了计算精度，也节约了计算的时间成本。
湿室型泵站原型的进水池流体域未发生自由表面涡的水体初始高度为H＝λl*2.4d，单位m，然后以0.001m等差递减，建立若干计算方案。
图10所示为泵站进水池旋涡示意图。
分析湿室型泵站原型CFD计算结果，根据临界淹没深度的定义，把刚发生II型旋涡时水泵进水管的淹没深度为临界淹没深度h，泵站原型中水泵的悬空高度b＝0.8d*λi假设CFD数值计算循环n次之后停止运算，则临界淹没深度h计算方式为：h＝2.4d*λl-0.001n-0.8d*λl，完毕。
本发明通过物理试验模型和CFD数据计算模型以及云计算相互配合，能够更加快速、准确地预测出湿室型泵站的临界淹没深度，预测精确度达到0.001m，能够准确地预测出湿室型泵站的临界淹没深度，有效避免了实际工程运行中水泵安装高程偏高的问题，降低工程开挖量从而减少了工程无效投资。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，其特征在于，采用三维CFD方法来预测湿室型泵站临界淹没深度，具体步骤如下：
步骤1：对缩尺湿室型泵站进行物理模型试验，建立物理试验模型，选取多个关键面来观察旋涡的特性，采用粒子图象测速法采集并输出旋涡流线及涡量图；
步骤2：对缩尺湿室型泵站进行数值模拟计算，建立缩尺湿室型泵站三维模型，并进行划分网格，输出计算文件，导入Fluent进行数值计算，计算收敛后导出结果，通过CFD-Post进行后处理，对多个关键面的旋涡流线及涡量分布进行采集；
步骤3：从步骤2中若干数值计算结果中找出与步骤1中PIV测量结果中旋涡流线及涡量分布相同或相似的计算工况，输出对应的网格尺寸、湍流模型、数值算法；
步骤4：对湿室型泵站原型进行CFD计算，采用CFD-Post对湿室型泵站原型CFD计算结果进行后处理，根据临界淹没深度的定义计算分析并输出临界淹没深度。
2.根据权利要求1所述的通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，其特征在于，所述步骤1中，试验模型采用正态模型，综合考虑模型水流在阻力平方区要求，拟选取模型线性比尺λl，物理试验模型采用重力相似准则设计，角度比λθ＝1，流速比λv＝λl 0.5，流量比λQ＝λl 2.5，糙率比λn＝λl 1/6。
3.根据权利要求1所述的通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，其特征在于，所述步骤1中，物理模型试验的水位尽量选取较低水位，但要淹没出水管的进口并尽量满足在试验中进水管附近出现旋涡。
4.根据权利要求1所述的通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，其特征在于，所述步骤1中，总共选取5个关键面作为观察面来观察旋涡特性，自由表面旋涡的观察面在水面下方0.16d处，附近面旋涡的观察面到地面距离为0.25d，后壁面上附壁旋涡的观察面距后壁为0.23d，两侧边壁上旋涡的观察面分别为距各边壁0.15d和0.25d处，其中d为进水管内径。
5.根据权利要求书1所述的通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，其特征在于，所述步骤2中，在网格划分中采用不同尺度网格，从而得到若干不同的网格方案，针对各个网格方案在Fluent计算中选取不同的湍流模型及不同的数值算法。
6.根据权利要求1所述的通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，其特征在于，所述步骤4中，在湿室型泵站原型CFD计算中引入云计算技术。
7.根据权利要求1所述的通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，其特征在于，所述步骤4中，湿室型泵站原型CFD计算的网格方案和Fluent设置方式与步骤3中相同。
8.根据权利要求书1到7任一项所述的通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，其特征在于，所述步骤4中，湿室型泵站原型的进水池流体域未发生自由表面涡的水体初始高度为H，然后以0.001m等差递减，建立若干计算方案。
9.根据权利要求8所述的通过CFD预测湿室型泵站临界淹没深度的方法，所述步骤4中，根据临界淹没深度的定义，当刚发生II型旋涡时停止计算，此时CFD数值计算循环次数为n次，此时输出水泵进水管的淹没深度即为临界淹没深度h，其计算公式为h＝H-b-0.001n，其中b为水泵的悬空高度。
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Legal Events
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Granted publication date: 20190723 Termination date: 20220108 |